Schema för den klassiska och modifierade lysdioden (LED) (ej skalenlig). en tvärsnittstecknad serie av en standard LED (inklusive dess elektriska kontakter), där en epoxilins/hölje kapslar in halvledar-LED-chippet. Ljus som emitteras från p–n-övergången försvinner in i epoxilinsen så länge infallsvinkeln är mindre än den kritiska vinkeln θc. b Sidovy och c 3D-vy av den föreslagna nya designen för förbättrad ljusextraktion med en 2D-array ("meta-grid") av nanopartiklar (NPs) inbäddade i epoximaterialet på en höjd h från LED-chipets yta. d Fyrskikts-stack-teoretisk modell för att analysera den optiska transmissionen genom det föreslagna systemet, där NP-matrisen representeras av en effektiv film med tjockleken d, vars egenskaper härleds från teorin om det effektiva mediet. Kredit:Light:Science &Applications, doi:10.1038/s41377-020-00357-w
Ett skräddarsytt lager av plasmoniska nanopartiklar kan införas i epoxihöljet på en lysdiod (LED) för att förbättra enhetens ljuseffekt, för att gynna energibesparingar och öka LED-livslängden. I en ny rapport om Nature Light:Science &Applications , Debrata Sikdar och ett team av forskare inom kemi, elektronik och fysik vid Imperial College London och Indian Institute of Technology, visade fördelarna med att inkludera en tvådimensionell (2-D) serie av silvernanopartiklar som kallas ett "meta-grid" till den linsformade epoxiförpackningen. De testade sin teori med hjälp av datorsimuleringar och visade förmågan att förbättra ljusextraktionen från nanopartikelmeta-grid-baserade LED. Det alternativa tillvägagångssättet kan anpassas för att passa en specifik emissionsfärg, författarna föreslog några ytterligare system för att implementera strategin i den befintliga LED -tillverkningstekniken.
Konventionell ljusuttag från lysdioder
Ljusemitterande dioder (LED) finns överallt i den moderna världen, från trafikljus till elektroniska displayer och i tillämpningar av vattenrening och dekontaminering. Eftersom typiska halvledarlampor är inkapslade av en transparent isolator som begränsar effektiviteten av ljusuttag, forskare har försökt förbättra ljusextraktionseffektiviteten hos lysdioder för förbättrad ljuseffekt. Det spånkapslande materialet i sig kan vara en begränsande faktor vid sidan av Fresnelförlust; d.v.s. när en betydande mängd av det infallande ljuset reflekteras tillbaka från gränssnittet in i chipet. För att mildra sådana gränser, forskare hade introducerat material med högre brytningsindex än epoxi eller plast, även om ändringarna fortfarande är svåra och ekonomiskt ogynnsamma för massproduktionsanpassning. Ytterligare system har inkluderat nanopartikel-epoxinanokompositer eller konstruerade epoxihartser för att säkerställa högre brytningsindex utan att kompromissa med transparensen. Dock, ett större brytningsindex kan återigen leda till att en större del av ljuset reflekteras tillbaka från gränssnittet inkapsling/luft för att bidra till Fresnel-förlust.
Överföringsspektra som visar effekter av olika fysiska parametrar av NP-meta-grid. Transmittansspektra, beräknat från den teoretiska modellen, som visar effekterna av olika fysiska parametrar i den sexkantiga uppsättningen av silver -nanosfärer, såsom radien R, mellanpartikelgap g, och "höjd" h från gränssnittet mellan typiska halvledare (n1=3,5) och inkapslande (n2=1,6) material:en variation med g för fast radie (R=20nm) och höjd (h=2nm), b variation med h för fast radie (R =20nm) och gap (g =40nm), och c variation med R för fast gap (g=40nm) och höjd (h=2nm). d–f Inzoomad vy av de teoribaserade ("analytiska") spektra, i domänerna markerade av de röda rutorna i (a–c) jämfört med data (färgade prickade kurvor) erhållna från helvågssimuleringar. För alla fall, endast normalt infallande ljus beaktas. De prickade horisontella linjerna indikerar transmittans utan nanopartikelskiktet. Kredit:Light:Science &Applications, doi:10.1038/s41377-020-00357-w 
I det här arbetet, Sikdar et al. föreslagit minimala förändringar av tillverkningsprocessen för att minska Fresnel-förlusten vid chip/inkapslingsgränssnittet genom att använda en fast fotonutrymningskon för att öka ljustransmissionen över uppställningen. För att åstadkomma detta, de placerade ett monolager av metalliska nanopartiklar med undervåglängd (NP) som ett "meta-grid" ovanpå ett konventionellt LED-chip i chipets vanliga inkapslande förpackning. Den resulterande förbättringen av LED-ljusöverföring inträffade som ett resultat av destruktiv interferens mellan ljus som reflekteras från chip/epoxigränssnittet och ljus som reflekteras av NP-meta-nätet. Genom att minska reflektionen från chip/epoxigränssnittet ökade de livslängden på LED-chippet och minimerade spillvärme.
För att demonstrera förbättrad överföring av nanopartiklar, de använde silver nanosfärer som starka plasmoniska resonatorer, med minimal absorptionsförlust. Teamet studerade rollerna för NP-radien, mellanpartikelgap som bildas av nanosfärerna under montering nerifrån och upp till en tvådimensionell (2-D) hexagonal array och påverkan av nanopartikelhöjden (NP). För att beräkna ljustransmittansen, Sikdar et al. använde en ljussändare och detektor placerad inuti chipet och det inkapslande mediet, respektive. Olika uppsättningar av NP-matriser gav maximal förbättring av ljustransmission över olika spektrala fönster och därför kunde "meta-grid" optimeras för varje lysdiod i förhållande till dess spektrala emissionsområde.
Erhålla parametrar för optimal transmission och dess beroende av infallsvinkel. a–c Optimering av den optiska transmittansen (T) vid 625 nm för normal incidens via inställning av NP-matrisparametrarna. a Maximal transmittans erhållen vid varje höjd h (där T≥98,5%), och motsvarande optimal (b) radie Ropt, och (c) mellanpartikelgap gopt. d – f Transmittans vid olika tillåtna infallsvinklar för s-polariserad (röd), p-polariserad (blå), och opolariserat (grönt) ljus för fall (1)–(3) [markerat i (a)]; för varje polarisering, de prickade kurvorna visar ljusöverföringen utan NP -matrisen. g Jämförelse mellan transmittansen för opolariserat ljus i dessa tre fall. Den prickade linjen, erhålls utan NP-matrisen, fungerar som referens. Här, AlGaInP (n1 =3,49) är halvledarmaterialet och epoxi (n2 =1,58) är det inkapslande materialet. Kredit:Light:Science &Applications, doi:10.1038/s41377-020-00357-w 
Teamet maximerade sedan transmittansen över ett specifikt spektralområde med hjälp av en optimerad struktur av meta-nätet. Forskarna observerade förbättrad ljusöverföring med installationen, och krediterade resultatet till Fabry-Perot-effekten mellan chip/inkapslingsgränssnittet och NP-meta-grid. Transmissionsfallet, även känd som utrotningstoppen, beroende på höjden, glipa, och andra parametrar för meta-grid NPs, och illustrerade enhetens underliggande fysik. Som ett resultat, genom att variera gapet och höjden på nanopartikelns meta-rutnät och radien för de ingående silvernanopartiklarna, forskarna påverkade transmissionsfallet eller utsläckningstoppen under LED-utsläpp.
Vidare, ljus som reflekterats från gränssnittet mellan chip och inkapsling stör tydligt ljuset som reflekteras från NP-matrisen, för att effektivt minska reflektion från installationen och öka överföringen på grund av Fabry-Perot-effektbaserad överföringsförbättring. Gränssnittet mellan chip/inkapsling och NP-meta-grid fungerade som två reflekterande ytor för att bilda håligheten mellan dem. Teamet placerade meta-nätet på närmast möjliga höjd till chip/inkapslingsgränssnittet för att optimera dess position och begränsa eventuellt läckage av strålning. De visade också hur de små NP:erna uppvisade bättre vinkelgenomsnittlig transmittans för opolariserat ljus.
Optimering av transmittansen (över ett spektralfönster på 580–700 nm medelvärde över alla tillåtna infallsvinklar (under den kritiska vinkeln) och dess känslighet för NP-metagridparametrarna. a Punkter med olika fyllningsfärger som visar avvikelsen från den maximala transmittansen (Tmax) för en fast höjd av hopt = 33 nm men olika radie R och gap g, där båda dessa parametrar antas vara större/mindre än deras optimala värden med upp till 3 nm. Tmax (av 96,2%) uppnås vid optimal höjd hopt = 33 nm, för optimal radie på 13 nm och gap på 13 nm [markerat i cyan]. b–g Samma som i (a), men för olika höjder av (hopt − 1), (hoppa + 1), (hopt − 2), (hoppa + 2), (hopt − 3), (hopt+3), respektive. Anteckna det, för beräkningarna ansågs spektralfönstret mellan 580 och 700 nm i ett steg på 1 nm och vinklar mellan 0° och 26° togs i ett steg på 1°. Här, AlGaInP (n = 3,49) är halvledarmaterialet och epoxi (n = 1,58) är det inkapslande materialet. Kredit:Light:Science &Applications, doi:10.1038/s41377-020-00357-w 
Forskarna fick förbättrad överföring i närvaro av det optimerade meta-rutnätet, vilket var betydligt större än det som erhölls utan NP över samma våglängdsområde. Systemets maximala transmittans var känslig för eventuella brister i tillverkningsprocessen. De justerade och justerade meta-grid av nanopartiklar på LED-chippet för optimal prestanda. Det resulterande NP-meta-nätet tillät en 96 procents ökning av ljustransmissionen (vilket annars är 84 procent) från det emitterande lagret till det inkapslande lagret.
På det här sättet, Debrata Sikdar och kollegor föreslog ett schema för att avsevärt förbättra ljusextraktionen från lysdioder genom att öka överföringen över gränssnittet mellan chip och inkapsling. De åstadkom detta genom att introducera ett monolager av plasmoniska nanopartiklar (NP) ovanpå LED-chippet för att minska Fresnel-förlusten och förbättra ljustransmissionen från Fabry-Perot-effekten. Teamet föreslår att systemet implementeras antingen av sig självt eller i kombination med andra tillgängliga strategier för att förbättra LED-effektiviteten.
© 2020 Science X Network
