De introductie van het nieuw ontworpen 'meta-grid' van nanodeeltjes in de epoxy-behuizing van light-emitting diodes (LED's) biedt een aanzienlijke verbetering van hun lichtopbrengst, naast het verlengen van de levensduur, volgens de wetenschappers die het hebben uitgevonden. Een 'meta-grid' is een speciaal ontworpen, geoptimaliseerde tweedimensionale reeks metalen nanodeeltjes, die op een specifieke locatie in de epoxybehuizing van de LED's moet worden geplaatst.

LED's worden overwegend gebruikt in de moderne wereld. Van verkeerslichten tot achtergrondverlichting voor elektronische displays, smartphones, grote openluchtschermen, en algemene decoratieve verlichting en tot sensing, water Zuivering, en decontaminatie van geïnfecteerde oppervlakken - LED's zijn overal om ons heen! Het verhogen van de LED-lichtopbrengst zou de energiebehoefte verminderen, bijdragen aan het terugdringen van de opwarming van de aarde en klimaatverandering.

Door de jaren heen, de taak om meer lichtopbrengst te produceren voor de gegeven input stond centraal bij LED's. De hoofdstroom van onderzoek in deze richting was het verkennen van nieuwe materialen voor het inkapselen van LED-chips, voornamelijk door het gebruik van glazen met een hogere brekingsindex of epoxy- of epoxy-materialen met nanodeeltjes die zijn verwerkt met vulpoeders of geconstrueerde epoxyharsen, om er een paar te noemen. Echter, met deze technieken worden ofwel de LED-chips omvangrijker of wordt hun fabricage moeilijker en minder economisch voor massaproductie.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Lichtwetenschap en toepassingen , een team van wetenschappers - Dr. Debabrata Sikdar, van het Indiase Instituut voor Technologie Guwahati, Afdeling Elektronica en Elektrotechniek, samen met Prof. Sir John B. Pendry en Prof. Alexei Kornyshev van Imperial College London - rapporteerden een alternatieve route voor het verbeteren van de lichtextractie van LED's. Het stelt voor om de transmissie van het licht dat in de LED-chip wordt gegenereerd over de LED-chip/encapsulant-interface te vergroten door het Fresnel-reflectieverlies op de chip/encapsulant-interface binnen een vaste foton-ontsnappingskegel te verminderen, terwijl minimale wijzigingen in het productieproces worden voorgeschreven.

De verbetering van de lichttransmissie is gebaseerd op destructieve interferentie tussen licht dat wordt gereflecteerd door de chip/epoxy-interface en licht dat wordt gereflecteerd door het 'meta-grid'. van de chip tegen ongewenste reflecties in de chip.

Deze wetenschappers vatten het werkingsprincipe en de verdiensten van hun 'meta-grid'-schema voor LED-lichtverbetering hieronder samen:

"Een aanzienlijke verbetering van de lichtextractie van LED's kan worden bereikt door de transmissie over de LED-chip/encapsulant-interface te versterken, door een monolaag van plasmonische nanodeeltjes (veel kleiner dan de golflengte van het uitgestraalde licht) bovenop de LED-chip te introduceren die het Fresnel-reflectieverlies op de chip/inkapseling-interface kan verminderen, door verbeterde transmissie afkomstig van het Fabry-Perot-effect. Een soortgelijk effect is ook van toepassing voor het verbeteren van de vangst van licht in zonnecellen, " zeiden ze. "Ons schema kan op zichzelf worden ingezet of in combinatie met andere beschikbare schema's voor het verhogen van de LED-efficiëntie door kritische hoekverliezen te verminderen. Het volledige originele theoretische raamwerk dat nodig is voor de uitvinding is in eigen huis ontwikkeld en grondig getest met standaard commerciële simulatietools. We zijn van plan om binnen een jaar een prototype-apparaat te fabriceren en onze theoretische voorspellingen met experimenten te bevestigen." "Ons theoretisch model maakt het mogelijk de optimale omstandigheden te bepalen voor de structuur en eigenschappen van de 'meta-grid'-laag van nanodeeltjes:nl. het materiaal en de samenstelling van nanodeeltjes, hun afmetingen en gemiddelde interdeeltjesafstand, en de afstand tot het oppervlak van de LED-chip - die de maximale verbetering van de lichtextractie van de LED-chip in de omhullende behuizing zou kunnen bieden, over elk spectrale emissiebereik van LED's, " voegden ze eraan toe.

Debabrata Sikdar merkte verder op:"met voortdurende vooruitgang in nanofabricagetechnologie, het wordt minder moeilijk om de nanodeeltjes te fabriceren die meestal monodispers zijn en een zeer smalle spreiding hebben. Nog altijd, er kan altijd wat willekeur zijn in deeltjesgrootte en/of positie, vlakheid van raster, en variatie in brekingsindex als gevolg van fabricagefouten of materiaaldefecten, die onvermijdelijk zijn. De effecten van de meeste van deze onnauwkeurigheden kunnen ruwweg worden geschat op basis van onze tolerantiestudie en het heeft de robuustheid aangetoond van het mechanisme van verbeterde lichtextractie." "Er kunnen verschillende technische oplossingen zijn voor de meta-grids in de LED-chips. Een daarvan zou zijn om door drogen gemedieerde zelfassemblage van nanodeeltjes te gebruiken, bijv. gemaakt van zilver of alternatieve minder-lossy plasmonische materialen afgedekt met geschikte liganden, om vrijstaande Sikdar-Premaratne-Cheng 'plasmene' platen te vormen. Die monolaagplaten van nanodeeltjes kunnen rekbaar worden gemaakt voor een nauwkeurige afstemming van de scheiding tussen de deeltjes en kunnen op de LED-chip worden gestempeld voordat de omhullende behuizing wordt gefabriceerd. De afstand van het 'meta-grid' tot het oppervlak van de LED-chip kan worden geregeld via de dikte van het substraat van het plasmeen, " voegde Alexei Kornyshev er verder aan toe.

De auteurs beweren, "Bij deze uitvinding we hebben het effect van het 'meta-grid' aangetoond voor de standaard commerciële LED's, op basis van groep III-V materialen. Maar het voorgestelde concept om de lichttransmissie van een emitterende laag naar de inkapselingsbehuizing te verbeteren, kan worden uitgebreid tot andere soorten lichtemitterende apparaten die een emitterende laag/inkapselingsinterface bevatten. Over het algemeen, ons idee om het 'meta-grid' van nanodeeltjes te gebruiken voor verbeterde lichtextractie zou mogelijk een breder scala aan optische gadgets kunnen bieden, niet alleen halfgeleider-LED's."

"De eenvoud van het voorgestelde schema en de duidelijke fysica die eraan ten grondslag ligt, zou het robuust en, Hopelijk, eenvoudig aan te passen aan het bestaande LED-productieproces. Het is duidelijk dat met een grotere lichtextractie-efficiëntie, LED's zorgen voor grotere energiebesparingen en een langere levensduur van de apparaten. Dit zal zeker een wereldwijde impact hebben op de veelzijdige LED-gebaseerde toepassingen en hun miljardenmarkt wereldwijd, ' Voorspelde Sir John B. Pendry.