科学家通过将纳米粒子引入LED内，将节省能源并延长LED寿命

我们每天常常都在和LED打交道。LED，又称为发光二极管，是一种广泛应用于如电子显示器、交通指示灯、照明、到水净化和去污的应用中等的能发光的半导体电子元件。

但是，典型的半导体LED是由透明的绝缘体封装，从而限制了光提取的效率。现在，科学家们开发了一种新的技术用于增强从发光器件提取光的纳米粒子超滤栅，从而进一步改善设备的光输出，从而节省能源并延长LED寿命。该最新研究成果论文发表在最近的《自然》杂志的“光：科学与应用”专刊上。

由伦敦帝国理工学院和印度技术学院的化学、电子和物理科学家组成的研究团队的研究人员，通过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。

他们展示了一个包括二维的纳米颗粒的称为“元网格”（meta-grid），用于透镜状环氧树脂包装。通过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，论文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。

如上图所示传统的和改进后的LED发光二极管器件的示意图。（a）。 传统的LED的截面图（包括其电触点），其中环氧树脂透镜/外壳封装了半导体LED芯片。只要入射角小于临界角θc，从p–n结发出的光就进入环氧透镜。（b）。 新设计的侧视图。（c）。 新设计的3D视图，用于利用嵌入LED芯片表面高度h处的环氧树脂材料中的纳米颗粒（NP）的2D阵列（“元网格”）来增强光提取。（d）。 四层堆栈理论模型，用于分析通过所提出系统的光传输，其中NP阵列由厚度为d的有效膜表示，其性质是从有效介质理论推导出来的。如图所示为透射光谱描述了NP元网格不同物理参数的影响。从理论模型计算出的透射光谱描述了银纳米球六边形阵列的不同物理参数的影响。

在这项工作中，研究人员指出，只需要通过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”，放置在该芯片通常的封装包装内的常规LED芯片之上。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。

为了演示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，研究人员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”。如图所示获取最佳传输参数及其对入射角的依赖性。

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元网格之间的法布里-珀罗（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。

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％。