用於增強從發光器件提取光的納米粒子超濾柵

經典和改進的發光二極體（LED）器件的示意圖（未按比例繪製）。標準LED的截面圖（包括其電觸點），其中環氧樹脂透鏡/外殼封裝了半導體LED晶片。只要入射角小於臨界角θc，從p–n結髮出的光就進入環氧透鏡。b提議的新設計的側視圖和c 3D視圖，用於利用嵌入LED晶片表面高度h處的環氧樹脂材料中的納米顆粒（NP）的2D陣列（「元網格」）來增強光提取。d四層堆疊理論模型，用於分析通過所提出系統的光傳輸，其中NP陣列由厚度為d的有效膜表示，其性質是從有效介質理論推導出來的。

可以將定製的等離激元納米粒子層引入發光二極體（LED）的環氧樹脂外殼中，以改善設備的光輸出，從而節省能源並延長LED壽命。在有關「 自然之光：科學與應用」的新報告中，德布拉塔·西卡爾（Debrata Sikdar）和倫敦帝國理工學院和印度理工學院的化學，電子與物理科學家團隊展示了包括二維（2-D）納米銀納米顆粒陣列的好處，這種陣列稱為「元-網格」到透鏡狀環氧包裝。他們使用計算機模擬測試了他們的理論，並展示了改善基於納米粒子超網格的LED的光提取的能力。可以定製替代方法以適合特定的發光顏色，作者提出了一些其他方案，以將該策略實施到現有的LED製造技術中。

從LED提取常規光

發光二極體（LED）在現代世界中無處不在，從交通信號燈到電子顯示器以及在水淨化和去汙的應用中。由於典型的半導體LED由透明絕緣體封裝，從而限制了光提取的效率，因此研究人員已嘗試提高LED的光提取效率以改善光輸出。該晶片封裝材料本身可以是一個限制因素一起菲涅耳損失 ; 也就是說，當大量的入射光從界面反射回晶片時。為了減輕這種限制，研究人員引入了高折光率的材料。該指數比環氧或塑料指數大，但修改仍然困難且在經濟上不利於大規模生產。其他方案還包括納米粒子-環氧樹脂納米複合材料或工程環氧樹脂，以確保較高的折射率而不損害透明度。但是，較大的折射率會再次導致較大部分的光從密封劑/空氣界面反射回去，從而導致菲涅耳損耗。

透射光譜描述了NP元網格不同物理參數的影響。從理論模型計算出的透射光譜描述了銀納米球六邊形陣列的不同物理參數的影響，例如半徑R，粒子間間隙g和距典型半導體之間的界面的「高度」 h（n1 = 3.5）並封裝（n2 = 1.6）材料：固定半徑（R = 20nm）和高度（h = 2nm）隨g的變化，固定半徑（R = 20nm）和間隙（g = 40nm）隨b的變化對於固定間隙（g = 40nm）和高度（h = 2nm），R隨c的變化。d–f基於理論的（「分析」）光譜的放大視圖，在（a–c）中紅色框突出顯示的域中，與從全波模擬獲得的數據（彩色虛線）相比。對於所有情況，僅考慮正常入射光。水平虛線表示沒有納米顆粒層的透射率。

改善LED發光的另一種方法

在這項工作中，Sikdar等人。建議使用最小的製造工藝更改，以通過使用固定的光子逸出錐來增加整個裝置的光傳輸，從而減少晶片/密封劑界面處的菲涅耳損耗。為此，他們將單波長的亞波長金屬納米顆粒（NPs）作為「元網格」放置在常規LED晶片頂部的常規封裝中。由於從晶片/環氧樹脂界面反射的光與由NP元網格反射的光之間的相消幹涉，導致了LED光傳輸的增強。通過減少晶片/環氧樹脂界面的反射，它們增加了LED晶片的壽命，並最大限度地減少了廢熱。

為了證明納米粒子輔助的增強傳輸，他們使用銀納米球作為強等離子體共振器，吸收損耗最小。該團隊研究了NP半徑，自底向上組裝成二維（2-D）六邊形陣列時納米球形成的粒子間間隙以及納米粒子（NP）高度的影響的作用。為了計算透光率，Sikdar等。使用分別放置在晶片和封裝介質內部的發光器和檢測器。NP陣列的不同集合在不同光譜窗口之間的光傳輸方面提供了最大的增強，因此可以相對於其發光光譜範圍針對每個LED優化「元網格」。

獲取最佳傳輸參數及其對入射角的依賴性。a–c通過調整NP陣列參數優化法向入射的625nm處的透光率（T）。a在每個高度h（T≥98.5％）處獲得的最大透射率，以及相應的最佳（b）半徑Ropt，和（c）顆粒間間隙。d–f對於情況（1）–（3）[在（a）中標記]，對於s偏振（紅色），p偏振（藍色）和非偏振（綠色）光，在不同允許入射角處的透射率；對於每種偏振，虛線表示沒有NP陣列的光透射率。g在這三種情況下非偏振光的透射率之間的比較。在沒有NP陣列的情況下獲得的虛線用作參考。在此，AlGaInP（n1 = 3.49）是半導體材料，而環氧樹脂（n2 = 1）。58）是封裝材料。

優化納米粒子超網格

然後，團隊使用優化的元網格結構在特定光譜範圍內最大化透射率。科學家觀察到該設置增強了光傳輸，並將結果歸因於晶片/密封劑界面與NP元網格之間的Fabry-Perot效應。透射率下降（也稱為消光峰）取決於高度，間隙和元網格NP的其他參數，並說明了設備的基本物理原理。結果，科學家們通過改變納米粒子超網格的間隙和高度以及組成銀納米粒子的半徑，影響了LED發射期間的透射率下降或消光峰。

此外，由於基於法布裡-珀羅效應的透射增強，從晶片/密封劑界面反射的光明顯幹擾了NP陣列反射的光，從而有效地減少了來自設置的反射並提高了透射率。晶片/密封劑界面和NP元網格充當兩個反射表面，以在它們之間形成空腔。該團隊將元網格放置在離晶片/密封劑界面最近的高度，以優化其位置並限制任何輻射洩漏。他們還展示了小NP對非偏振光如何表現出更好的角度平均透射率。

為了進行計算，在580 nm和700 nm之間的光譜窗口以1 nm為步長，在0°和26°之間的角度以1°為步長。在此，AlGaInP（n = 3.49）是半導體材料，而環氧樹脂（n = 1.58）是封裝材料。

NP元網格中的透光率

科學家在存在優化的元網格的情況下獲得了增強的透射，這比在相同波長範圍內不使用NP時獲得的透射要大得多。系統的最大透射率對製造過程中的任何缺陷都很敏感。他們精確地調整和調整了LED晶片上納米顆粒的元網格，以實現最佳性能。所得的NP元網格使從發射層到密封層的透光率提高了96％（否則為84％）。

通過這種方式，Debrata Sikdar及其同事提出了一種方案，該方案可以通過增強晶片/密封劑接口之間的傳輸來顯著增強LED的光提取。他們通過在LED 晶片頂部引入單質等離子體納米顆粒（NP）來減少菲涅耳損耗並增強源自法布裡-珀羅效應的光傳輸來實現此目的。該團隊建議單獨或與其他可用策略結合實施該方案，以提高LED效率。