Att introducera det nydesignade "meta-nätet" av nanopartiklar i epoxihöljet på lysdioder (LED) ger en avsevärd förbättring av deras ljuseffekt, förutom att öka livslängden, enligt forskarna som uppfann det. Ett "meta-grid" är ett speciellt utformat, optimerad tvådimensionell uppsättning av metalliska nanopartiklar, som måste placeras på en specifik plats i epoxihöljet på lysdioderna.

Lysdioder används överväldigande i den moderna världen. Från trafikljus till bakgrundsbelysning för elektroniska displayer, smartphones, stora utomhusskärmar, och allmän dekorativ belysning och avkänning, vattenrening, och dekontaminering av infekterade ytor – lysdioder finns runt omkring oss! Att öka LED-ljuseffekten skulle minska energibehovet, bidra till att bromsa den globala uppvärmningen och klimatförändringarna.

Över åren, uppgiften att producera större ljuseffekt för den givna ingången var central för lysdioder. Huvudströmmen av forskning i denna riktning var att utforska nya material för LED-chipinkapsling, huvudsakligen genom att använda antingen glas med högre brytningsindex eller nanopartikelladdade epoxi- eller epoximaterial inkorporerade med fyllmedelspulver eller konstruerade epoxihartser, för att nämna några. Dock, med dessa tekniker blir antingen LED-chipsen skrymmande eller så blir tillverkningen svårare och mindre ekonomisk för massproduktion.

I en ny tidning publicerad i Ljusvetenskap och tillämpningar , ett team av forskare - Dr. Debabrata Sikdar, från Indian Institute of Technology Guwahati, Institutionen för elektronik och elektroteknik, tillsammans med Prof. Sir John B. Pendry och Prof. Alexei Kornyshev från Imperial College London-rapporterade en alternativ väg för att förbättra ljusextraktion från lysdioder. Den föreslår att öka överföringen av ljuset som genereras inuti LED-chippet över LED-chip/inkapslingsgränssnittet genom att minska Fresnel-reflektionsförlusten vid chip/inkapslingsgränssnittet inom en fast fotonutrymningskon, samtidigt som minimala förändringar av tillverkningsprocessen föreskrivs.

Förbättringen av ljustransmission är baserad på destruktiv interferens mellan ljus som reflekteras från chip/epoxigränssnittet och ljus som reflekteras av "meta-grid." Att minska reflektion från chip/epoxigränssnittet kan också öka livslängden för LED-chippet genom att eliminera uppvärmning av chipet från oönskade reflektioner inuti chipet.

Dessa forskare sammanfattar funktionsprincipen och fördelarna med deras "meta-grid"-schema för LED-ljusförbättring nedan:

"En betydande förbättring av ljusextraktion från lysdioder kan uppnås genom att öka överföringen över LED-chip/inkapslingsgränssnitt, genom att införa ett monolager av plasmoniska nanopartiklar (mycket mindre än våglängden för det emitterade ljuset) ovanpå LED-chippet som kan minska Fresnel-reflektionsförlusten vid gränssnittet mellan chip och inkapsling, genom förbättrad överföring som härrör från Fabry-Perot-effekten. En liknande effekt är också användbar för att förbättra fångsten av ljus i solceller, " sa de. "Vårt schema kan distribueras av sig självt eller i kombination med andra tillgängliga scheman för att öka LED-effektiviteten genom att minska kritiska vinkelförluster. Hela det ursprungliga teoretiska ramverket som behövs för uppfinningen har utvecklats internt och är noggrant testat mot kommersiella standardsimuleringsverktyg. Vi planerar att tillverka en prototypenhet inom ett år och bekräfta våra teoretiska förutsägelser med experiment." "Vår teoretiska modell tillåter bestämning av de optimala förhållandena för strukturen och egenskaperna hos nanopartikelns "meta-grid"-lagret:dvs. nanopartiklars material och sammansättning, deras storlekar och genomsnittliga avstånd mellan partiklar, och avståndet från LED-chippets yta – som skulle kunna ge maximal förbättring av ljusextraktion från LED-chippet in i det inkapslande höljet, över alla emissionsspektrala lysdioder, " lade de till.

Debabrata Sikdar kommenterade vidare:"med kontinuerliga framsteg inom nanotillverkningsteknologi, det blir mindre svårt att tillverka nanopartiklarna som mestadels är monodispersa och har en mycket snäv spridning. Fortfarande, det kan alltid finnas en viss slumpmässighet i partikelstorlek och/eller position, rutnätets planhet, och variation i brytningsindex på grund av tillverkningsfel eller materialdefekter, som är oundvikliga. Effekter från de flesta av dessa felaktigheter kan grovt uppskattas från vår toleransstudie och den har visat robustheten hos mekanismen för förbättrad ljusextraktion." "Det kan finnas olika tekniska lösningar för meta-näten i LED-chipsen. En av dem skulle vara att använda torkningsmedierad självmontering av nanopartiklar, t.ex. gjorda av silver eller alternativa plasmoniska material med mindre förlust, täckta med lämpliga ligander, för att bilda fristående Sikdar-Premaratne-Cheng 'plasmene'-ark. Dessa enskiktiga nanopartiklar kan göras töjbara för exakt inställning av separationen mellan partiklar och kan stämplas på LED-chippet innan det inkapslande höljet tillverkas. Avståndet mellan "meta-grid" från LED-chipets yta kan styras via tjockleken på plasmenens substrat, ", tillade Alexei Kornyshev ytterligare.

Författarna hävdar, "I denna uppfinning, vi har visat effekten av "meta-grid" för vanliga kommersiella lysdioder, baserat på grupp III-V material. Men det föreslagna konceptet att förbättra ljustransmission från ett emitterande skikt till dess inkapslande hölje kan utvidgas till andra typer av ljusemitterande anordningar som innehåller gränssnitt mellan emissivt skikt och inkapsling. Rent generellt, vår idé att använda nanopartikelns "meta-grid" för förbättrad ljusextraktion skulle potentiellt kunna tillgodose ett bredare utbud av optiska prylar, inte bara halvledarlysdioder."

"Enkelheten i det föreslagna schemat och den tydliga fysiken som ligger till grund för det borde göra det robust och, förhoppningsvis, lätt att anpassa till den befintliga LED-tillverkningsprocessen. Det är uppenbart att med större ljusutsugningseffektivitet, Lysdioder kommer att ge större energibesparingar samt längre livslängder för enheterna. Detta kommer definitivt att ha en global inverkan på de mångsidiga LED-baserade applikationerna och deras mångmiljarddollarmarknad över hela världen, " förutsade Sir John B. Pendry.