Nanoschaalpatronen ontworpen om te buigen, het afbuigen en splitsen van licht kan nu rechtstreeks op lichtgevende diode (LED)-oppervlakken worden gefabriceerd met behulp van een innovatieve etsmethode die is ontwikkeld door A*STAR-onderzoekers. Het nieuwe fabricageschema creëert nieuwe mogelijkheden voor een gemakkelijke regeling van de lichtopbrengst.

Recente ontwikkelingen in LED-verlichting hebben het dagelijks leven en de allernieuwste technologie getransformeerd - van efficiënte kamerverlichting, naar achtergrondverlichting van tv en mobiele apparaten, en de kleine optische circuits die wereldwijde glasvezelnetwerken aandrijven.

De lichtemitterende component van LED's is een verrassend eenvoudige structuur, typisch een dunne laag van een diëlektrisch materiaal zoals galliumnitride (GaN) op een kristallijn saffiersubstraat. Door deze structuur wordt het door leds uitgestraalde licht inefficiënt in alle richtingen verspreid, inclusief terug in het substraat waarop de lichtemitterende laag is bevestigd. Dus, terwijl onderzoekers enorme vooruitgang hebben geboekt op het gebied van lichtemitterende efficiëntie, er blijft ruimte voor verbetering.

Egor Khaidarov en collega's van A*STAR's Data Storage Institute en Nanyang Technological University hebben nu een manier gevonden om GaN te modelleren met nanoschaalfuncties die het gedrag van licht kunnen regelen.

"We hebben aangetoond dat meta-oppervlakken - oppervlakken met een patroon met kenmerken die doorgaans kleiner zijn dan de golflengte van het uitgestraalde licht - direct op een standaard GaN-op-saffierplatform kunnen worden gefabriceerd, " zegt Khaidarov. "Het belangrijkste is dat we hebben aangetoond dat met een goed ontwerp, het is mogelijk om de meta-oppervlakken te maken zonder dat er een extra laag nodig is, met behoud van een hoog niveau van emissie-efficiëntie."

Metasurface modificaties van LED's zijn in het verleden geprobeerd. Deze omvatten het in patroon brengen van een extra laag met een heel andere brekingsindex dan het onderliggende GaN-op-saffiersubstraat om het licht in de metasurfacelaag te houden en de interacties tussen licht en materie te verbeteren. Het probleem met het rechtstreeks modelleren van GaN - een groot voordeel voor fabricage - is een zwakte van interacties vanwege het gebrek aan brekingsindexcontrast.

"Om dit te overwinnen, we werkten met zeer diepe structuren met een grote beeldverhouding, effectief arrays van nanopilaren, om de invloed van het substraat op de optische modi van het meta-oppervlak te verminderen, " legt Khaidarov uit (zie afbeelding).

Het resulterende ontwerp, echter, vormde een grote uitdaging voor de fabricage, waarbij het team een ​​nauwkeurige nanofabricageprocedure moest ontwikkelen met behulp van elektronenstraallithografie en snelle, etsen met reactieve ionen bij hoge temperatuur.

"Met ons ontwerpconcept hebben we, in principe, volledige controle over de uitgangseigenschappen van licht, waarmee we complexere optische componenten kunnen fabriceren, zoals lenzen, de generatoren van de draaikolkstraal, polarimeters en hologrammen, ' zegt Chaidarov.