Figuren visar hur mycket ljus (PLE, fotoluminescensexcitation) sänder den individuella pyramidformade antennen ut vid olika våglängder (färger) av ljus i jämförelse med antennerna i arrayen. Den individuella antennen når sin topp vid en våglängd på cirka 650 nanometer, medan antennerna i arrayen når en topp på cirka 580 nanometer. Mikrofotografiet (övre högra hörnet) gjordes med ett elektronmikroskop. Färgen på pilen motsvarar färgen som används i den andra figuren.
Forskare från FOM Institute AMOLF och Philips Research har designat och tillverkat en ny typ av antenn i nanoskala. De nya antennerna ser ut som pyramider, snarare än de mer vanligt använda raka pelarna. Pyramidformen förstärker interferensen mellan ljusets magnetiska och elektriska fält. Detta gör den pyramidformade antennen kapabel att förbättra ljusemissionen och stråla ut olika färger av ljus i motsatta riktningar. Detta fynd kan leda till mer effektiva ljusemitterande enheter (LED). Forskarna publicerade sina resultat online den 12 december 2014 i Fysiska granskningsbrev .
Individuella antenner
En rak antenn i nanoskala kommer huvudsakligen att reagera på det elektriska ljusfältet. Detta innebär att effekterna av ljusets magnetfält, som håller hälften av ljusets energi, ignoreras. Länge ansågs detta inte vara ett problem som kunde lösas, eftersom de flesta metaller som används för att tillverka antenner inte reagerar på ljusets magnetfält ändå.
Detta ändrades nyligen, på grund av den snabba utvecklingen inom metamaterialforskning. Det som tidigare verkade vara omöjligt – att tillverka antenner som reagerar starkt på ljusets magnetfält – kan nu göras genom att strukturera metaller på nanoskala.
Med dessa idéer i åtanke, AMOLF och Philips forskare byggde den pyramidformade antennen. Genom att noggrant utforma höjden och lutningen på antennens sidoväggar, forskarna fann att svaret på ljusets magnetfält är nästan lika starkt som svaret på ljusets elektriska fält.
Antenner i en array
Efter att ha sett de beskrivna effekterna i individuella antenner i nanoskala, forskarna tog det ett steg längre och placerade flera pyramidformade antenner i en array. Effekten som antennerna har på varandra visar sig vara ganska slående. Vid vissa våglängder (färger) av ljus, antennerna kan kopplas till varandra via ljuset som sprids på ytan av arrayen. Detta gör gruppen av antenner mer effektiva för att stråla ljus än summan av de enskilda antennerna. Dessutom, antennuppsättningen kan fungera kollektivt vid en våglängd, samtidigt som antennerna arbetar individuellt vid en annan våglängd. Således, samma uppsättning pyramidformade antenner kan stråla ljus av en viss färg uppåt, och av en annan färg nedåt.
Ansökningar
Arrayen av pyramidformade antenner i nanoskala har stor potential för förbättring av lysdioder. För närvarande, många lysdioder är designade för att avge ljus i en riktning, till exempel bara "uppåt". Sådana lysdioder används till exempel i bilbelysning eller spotlight-belysning. Tyvärr, det ljusemitterande materialet inuti en LED avger ljus med samma intensitet både uppåt och nedåt. Eftersom endast den "uppåtgående" emissionen är användbar, det nedåtgående ljuset måste återvinnas genom att lägga till flera optiska element, som speglar, till lysdioden. Dessa element gör LED:n skrymmande och mindre effektiv, eftersom en del ljus oundvikligen går förlorat under återvinningsprocessen.
Att integrera de pyramidformade antennerna i LED har stor potential för att övervinna dessa nackdelar. De pyramidformade antennerna kan selektivt stråla en färg av ljus uppåt. Om det finns en oönskad färg, detta kan strålas nedåt. Denna utveckling kan avsevärt förbättra effektiviteten hos enskilda lysdioder och förbättra integreringen av lysdioder i kombinerade ljussystem.
