Een op maat gemaakte laag plasmonische nanodeeltjes kan in de epoxybehuizing van een light-emitting diode (LED) worden ingebracht om de lichtopbrengst van het apparaat te verbeteren, ten goede komen aan energiebesparingen en het verlengen van de levensduur van de leds. In een nieuw verslag over Natuurlicht:wetenschap en toepassingen , Debrata Sikdar en een team van wetenschappers in de chemie, elektronica en natuurkunde aan het Imperial College London en het Indian Institute of Technology, toonde de voordelen aan van het opnemen van een tweedimensionale (2-D) reeks zilveren nanodeeltjes, bekend als een 'meta-grid', in de lensvormige epoxyverpakking. Ze testten hun theorie met behulp van computersimulaties en demonstreerden het vermogen om de lichtextractie van de op nanodeeltjes meta-grid gebaseerde LED te verbeteren. De alternatieve benadering kan worden aangepast aan een specifieke emissiekleur, de auteurs stelden enkele aanvullende schema's voor om de strategie in de bestaande LED-productietechnologie te implementeren.

Conventionele lichtafzuiging uit LED's

Light-emitting diodes (LED's) zijn alomtegenwoordig in de moderne wereld, van verkeerslichten tot elektronische displays en in toepassingen van waterzuivering en decontaminatie. Aangezien typische halfgeleider-LED's zijn ingekapseld door een transparante isolator die de efficiëntie van lichtextractie beperkt, onderzoekers hebben geprobeerd de lichtextractie-efficiëntie van LED's te verbeteren voor een betere lichtopbrengst. Het materiaal dat de chip omhult zelf kan een beperkende factor zijn naast Fresnel-verlies; d.w.z. wanneer een aanzienlijke hoeveelheid van het invallende licht wordt teruggekaatst van de interface naar de chip. Om dergelijke limieten te verminderen, onderzoekers hadden materialen geïntroduceerd met hogere brekingsindices dan epoxy of plastic, hoewel de wijzigingen nog moeilijk en economisch ongunstig zijn voor aanpassing aan massaproductie. Aanvullende schema's omvatten nanodeeltjes-epoxy-nanocomposieten of gemanipuleerde epoxyharsen om hogere brekingsindices te garanderen zonder de transparantie in gevaar te brengen. Echter, een grotere brekingsindex kan er opnieuw toe leiden dat een groter deel van het licht wordt teruggekaatst door de inkapseling/lucht-interface om bij te dragen aan Fresnel-verlies.

In dit werk, Sikdar et al. stelde minimale wijzigingen in het productieproces voor om Fresnel-verlies bij de chip / encapsulant-interface te verminderen door een vaste foton-ontsnappingskegel te gebruiken om de lichttransmissie over de opstelling te vergroten. Om dit te bereiken, ze plaatsten een monolaag van sub-golflengte metalen nanodeeltjes (NP's) als een 'meta-grid' bovenop een conventionele LED-chip in de gebruikelijke inkapseling van de chip. De resulterende verbetering van de LED-lichttransmissie vond plaats als gevolg van destructieve interferentie tussen licht dat wordt gereflecteerd door de chip / epoxy-interface en licht dat wordt gereflecteerd door het NP-meta-grid. Door de reflectie van de chip/epoxy-interface te verminderen, verlengden ze de levensduur van de LED-chip en minimaliseerden ze de afvalwarmte.

Om door nanodeeltjes ondersteunde verbeterde transmissie te demonstreren, ze gebruikten zilveren nanosferen als sterke plasmonische resonatoren, met minimaal absorptieverlies. Het team bestudeerde de rollen van de NP-straal, interparticle hiaten gevormd door de nanosferen tijdens bottom-up montage in een tweedimensionale (2-D) hexagonale array en de invloed van nanodeeltjes (NP) hoogte. Om de lichttransmissie te berekenen, Sikdar et al. gebruikte een lichtzender en detector geplaatst in de chip en het inkapselingsmedium, respectievelijk. Diverse sets NP-arrays zorgden voor een maximale verbetering van de lichttransmissie over verschillende spectrale vensters en daarom kon het 'meta-raster' worden geoptimaliseerd voor elke LED ten opzichte van zijn spectrale emissiebereik.

Het team maximaliseerde vervolgens de transmissie over een specifiek spectraal bereik met behulp van een geoptimaliseerde structuur van het meta-grid. De wetenschappers observeerden een verbeterde lichttransmissie met de opstelling, en schreef de uitkomst toe aan het Fabry-Perot-effect tussen de chip / encapsulant-interface en NP-meta-grid. De transmissiedip, ook wel de uitstervingspiek genoemd, afhankelijk van de hoogte, gat, en andere parameters van meta-grid NP's, en illustreerde de onderliggende fysica van het apparaat. Als resultaat, door de opening en hoogte van het meta-raster van nanodeeltjes en de straal van de samenstellende zilveren nanodeeltjes te variëren, de wetenschappers beïnvloedden de transmissiedip of extinctiepiek tijdens LED-emissie.

Verder, licht dat door de chip/inkapseling-interface wordt gereflecteerd, interfereert duidelijk met licht dat wordt gereflecteerd door de NP-array, om de reflectie van de opstelling effectief te verminderen en de transmissie te verhogen dankzij de op Fabry-Perot-effect gebaseerde transmissieverbetering. De chip/encapsulant-interface en NP-meta-grid fungeerden als twee reflecterende oppervlakken om de holte ertussen te vormen. Het team plaatste het meta-grid op de dichtst mogelijke hoogte bij de chip/encapsulant-interface om de positie te optimaliseren en eventuele stralingslekkage te beperken. Ze lieten ook zien hoe de kleine NP's een betere hoekgemiddelde transmissie vertoonden voor niet-gepolariseerd licht.

De wetenschappers verkregen verbeterde transmissie in aanwezigheid van het geoptimaliseerde meta-grid, die significant groter was dan die verkregen zonder NP's over hetzelfde golflengtebereik. De maximale transmissie van het systeem was gevoelig voor eventuele onvolkomenheden in het fabricageproces. Ze hebben het meta-raster van nanodeeltjes op de LED-chip nauwkeurig afgesteld en aangepast voor optimale prestaties. Het resulterende NP-meta-raster zorgde voor een toename van 96 procent in lichttransmissie (die anders 84 procent is) van de emitterende laag naar de inkapselingslaag.

Op deze manier, Debrata Sikdar en collega's stelden een schema voor om de lichtextractie van LED's aanzienlijk te verbeteren door de transmissie over de chip / encapsulant-interface te stimuleren. Ze bereikten dit door een monolaag van plasmonische nanodeeltjes (NP's) bovenop de LED-chip te introduceren om Fresnel-verlies te verminderen en de lichttransmissie afkomstig van het Fabry-Perot-effect te verbeteren. Het team stelt voor om het schema alleen of in combinatie met andere beschikbare strategieën te implementeren om de LED-efficiëntie te verbeteren.

© 2020 Wetenschap X Netwerk