Onderzoekers van UC Santa Barbara blijven de grenzen van LED-ontwerp een beetje verder verleggen met een nieuwe methode die de weg zou kunnen effenen naar efficiëntere en veelzijdigere LED-display- en verlichtingstechnologie.

In een paper gepubliceerd in Natuurfotonica , UCSB-hoogleraar elektrotechniek en computertechniek Jonathan Schuller en medewerkers beschrijven deze nieuwe aanpak, waardoor een breed scala aan LED-apparaten - van virtual reality-headsets tot autoverlichting - tegelijkertijd geavanceerder en slanker kunnen worden.

"Wat we hebben laten zien, is een nieuw soort fotonische architectuur waarmee je niet alleen meer fotonen kunt extraheren, maar ook om ze te sturen waar je wilt, " zei Schuller. Deze verbeterde prestaties, hij legde uit, wordt bereikt zonder de externe verpakkingscomponenten die vaak worden gebruikt om het door LED's uitgestraalde licht te manipuleren.

Licht in LED's wordt gegenereerd in het halfgeleidermateriaal wanneer het wordt geëxciteerd, negatief geladen elektronen die langs het kristalrooster van de halfgeleider reizen, ontmoeten positief geladen gaten (een afwezigheid van elektronen) en gaan over naar een lagere energietoestand, onderweg een foton vrijgeven. In de loop van hun metingen, de onderzoekers ontdekten dat een aanzienlijke hoeveelheid van deze fotonen werd gegenereerd, maar niet uit de LED kwam.

"We realiseerden ons dat als je naar de hoekverdeling van het uitgezonden foton keek voordat je patronen maakte, het had de neiging om te pieken in een bepaalde richting die normaal gesproken zou worden opgesloten in de LED-structuur, "Zei Schuller. "En dus realiseerden we ons dat je rond dat normaal opgesloten licht kon ontwerpen met behulp van traditionele meta-oppervlakconcepten."

Het ontwerp waar ze op uitkwamen, bestaat uit een reeks 1,45 micrometer lange galliumnitride (GaN) nanostaafjes op een saffiersubstraat, waarin kwantumputten van indium-galliumnitride waren ingebed, om elektronen en gaten op te sluiten en zo licht uit te zenden. Naast het toestaan ​​van meer licht om de halfgeleiderstructuur te verlaten, het proces polariseert het licht, welke mede-hoofdauteur Prasad Iyer zei:"is van cruciaal belang voor veel toepassingen."

Antennes op nanoschaal

Het idee voor het project kwam een ​​paar jaar geleden bij Iyer toen hij zijn doctoraat afrondde in Schuller's lab. waarbij het onderzoek is gericht op fotonicatechnologie en optische fenomenen op subgolflengteschalen. Metasurfaces - geconstrueerde oppervlakken met nanoschaalkenmerken die interageren met licht - waren de focus van zijn onderzoek.

"Een meta-oppervlak is in wezen een subgolflengte-array van antennes, " zei Iyer, die eerder onderzoek deed naar het sturen van laserstralen met meta-oppervlakken. Hij begreep dat typische meta-oppervlakken afhankelijk zijn van de sterk gerichte eigenschappen van de inkomende laserstraal om een ​​sterk gerichte uitgaande straal te produceren.

LED's, anderzijds, spontaan licht uitstralen, in tegenstelling tot de door de laser gestimuleerde, coherent licht.

"Spontane emissie bemonstert alle mogelijke manieren waarop het foton mag gaan, "Schiller legde uit, dus het licht verschijnt als een nevel van fotonen die in alle mogelijke richtingen reizen. De vraag was of ze door zorgvuldig ontwerp en fabricage op nanoschaal van het halfgeleideroppervlak, de gegenereerde fotonen in een gewenste richting sturen?

"Mensen hebben eerder patronen van LED's gemaakt, "Iyer zei, maar die inspanningen splitsen het steevast in meerdere richtingen, met een laag rendement. "Niemand had een manier ontwikkeld om de emissie van licht van een LED in een enkele richting te regelen."

Juiste plaats, Juiste tijd

Het was een puzzel die geen oplossing zou hebben gevonden, Iyer zei, zonder de hulp van een team van deskundige medewerkers. GaN is buitengewoon moeilijk om mee te werken en vereist gespecialiseerde processen om hoogwaardige kristallen te maken. Slechts een paar plaatsen in de wereld hebben de expertise om het materiaal in zo'n veeleisend ontwerp te fabriceren.

Gelukkig, UC Santa Barbara, de thuisbasis van het Solid State Lighting and Energy Electronics Center (SSLEEC), is een van die plaatsen. Met de expertise van SSLEEC en de nanofabricagefaciliteit van wereldklasse op de campus, de onderzoekers ontwierpen en vormden het halfgeleideroppervlak om het metasurface-concept aan te passen voor spontane lichtemissie.

"We hadden het geluk om samen te werken met wereldexperts bij het maken van deze dingen, ' zei Schuller.