用于增强从发光器件提取光的纳米粒子超滤栅

可以将定制的等离激元纳米粒子层引入发光二极管(LED)的环氧树脂外壳中,以改善设备的光输出,从而节省能源并延长LED寿命。在有关“ 自然之光:科学与应用”的新报告中,德布拉塔·西卡尔(Debrata Sikdar)和伦敦帝国理工学院和印度理工学院的化学,电子与物理科学家团队展示了包括二维(2-D)纳米银纳米颗粒阵列的好处,这种阵列称为“元-网格”到透镜状环氧包装。他们使用计算机模拟测试了他们的理论,并展示了改善基于纳米粒子超网格的LED的光提取的能力。可以定制替代方法以适合特定的发光颜色,作者提出了一些其他方案,以将该策略实施到现有的LED制造技术中。

从LED提取常规光

发光二极管(LED)在现代世界中无处不在,从交通信号灯到电子显示器以及在水净化和去污的应用中。由于典型的半导体LED由透明绝缘体封装,从而限制了光提取的效率,因此研究人员已尝试提高LED的光提取效率以改善光输出。该芯片封装材料本身可以是一个限制因素一起菲涅耳损失 ; 也就是说,当大量的入射光从界面反射回芯片时。为了减轻这种限制,研究人员引入了高折光率的材料。该指数比环氧或塑料指数大,但修改仍然困难且在经济上不利于大规模生产。其他方案还包括纳米粒子-环氧树脂纳米复合材料或工程环氧树脂,以确保较高的折射率而不损害透明度。但是,较大的折射率会再次导致较大部分的光从密封剂/空气界面反射回去,从而导致菲涅耳损耗。

改善LED发光的另一种方法

在这项工作中,Sikdar等人。建议使用最小的制造工艺更改,以通过使用固定的光子逸出锥来增加整个装置的光传输,从而减少芯片/密封剂界面处的菲涅耳损耗。为此,他们将单波长的亚波长金属纳米颗粒(NPs)作为“元网格”放置在常规LED芯片顶部的常规封装中。由于从芯片/环氧树脂界面反射的光与由NP元网格反射的光之间的相消干涉,导致了LED光传输的增强。通过减少芯片/环氧树脂界面的反射,它们增加了LED芯片的寿命,并最大限度地减少了废热。

为了证明纳米粒子辅助的增强传输,他们使用银纳米球作为强等离子体共振器,吸收损耗最小。该团队研究了NP半径,自底向上组装成二维(2-D)六边形阵列时纳米球形成的粒子间间隙以及纳米粒子(NP)高度的影响的作用。为了计算透光率,Sikdar等。使用分别放置在芯片和封装介质内部的发光器和检测器。NP阵列的不同集合在不同光谱窗口之间的光传输方面提供了最大的增强,因此可以相对于其发光光谱范围针对每个LED优化“元网格”。

优化纳米粒子超网格

然后,团队使用优化的元网格结构在特定光谱范围内最大化透射率。科学家观察到该设置增强了光传输,并将结果归因于芯片/密封剂界面与NP元网格之间的Fabry-Perot效应。透射率下降(也称为消光峰)取决于高度,间隙和元网格NP的其他参数,并说明了设备的基本物理原理。结果,科学家们通过改变纳米粒子超网格的间隙和高度以及组成银纳米粒子的半径,影响了LED发射期间的透射率下降或消光峰。

此外,由于基于法布里-珀罗效应的透射增强,从芯片/密封剂界面反射的光明显干扰了NP阵列反射的光,从而有效地减少了来自设置的反射并提高了透射率。芯片/密封剂界面和NP元网格充当两个反射表面,以在它们之间形成空腔。该团队将元网格放置在离芯片/密封剂界面最近的高度,以优化其位置并限制任何辐射泄漏。他们还展示了小NP对非偏振光如何表现出更好的角度平均透射率。

NP元网格中的透光率

科学家在存在优化的元网格的情况下获得了增强的透射,这比在相同波长范围内不使用NP时获得的透射要大得多。系统的最大透射率对制造过程中的任何缺陷都很敏感。他们精确地调整和调整了LED芯片上纳米颗粒的元网格,以实现最佳性能。所得的NP元网格使从发射层到密封层的透光率提高了96%(否则为84%)。

通过这种方式,Debrata Sikdar及其同事提出了一种方案,该方案可以通过增强芯片/密封剂接口之间的传输来显着增强LED的光提取。他们通过在LED 芯片顶部引入单质等离子体纳米颗粒(NP)来减少菲涅耳损耗并增强源自法布里-珀罗效应的光传输来实现此目的。该团队建议单独或与其他可用策略结合实施该方案,以提高LED效率。

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