L'introduzione della "meta-griglia" di nuova concezione di nanoparticelle nell'involucro epossidico dei diodi a emissione di luce (LED) offre un sostanziale miglioramento della loro emissione luminosa, oltre ad aumentare la durata, secondo gli scienziati che l'hanno inventata. Una "meta-griglia" è un sistema appositamente progettato, matrice bidimensionale ottimizzata di nanoparticelle metalliche, che deve essere posizionato in una posizione specifica all'interno dell'involucro epossidico dei LED.

I LED sono impiegati in modo schiacciante nel mondo moderno. Dai semafori alla retroilluminazione per display elettronici, smartphone, grandi schermi da esterno, e luci decorative generali e al rilevamento, purificazione dell'acqua, e la decontaminazione delle superfici infette:i LED sono tutti intorno a noi! L'aumento dell'emissione luminosa a LED ridurrebbe il fabbisogno energetico, contribuendo a frenare il riscaldamento globale e il cambiamento climatico.

Negli anni, il compito di produrre una maggiore resa luminosa per l'input dato era centrale per i LED. La maggior parte della ricerca in questa direzione è stata l'esplorazione di nuovi materiali per l'incapsulamento di chip LED, principalmente utilizzando vetri con indice di rifrazione più elevato o materiali epossidici o epossidici caricati con nanoparticelle incorporati con polveri di riempimento o resine epossidiche ingegnerizzate, per dirne alcuni. Però, con queste tecniche o i chip LED diventano più ingombranti o la loro fabbricazione diventa più difficile e meno economica per la produzione di massa.

In un nuovo articolo pubblicato su Scienza e applicazioni della luce , un team di scienziati:il dott. Debabrata Sikdar, dell'Indian Institute of Technology Guwahati, Dipartimento di Elettronica ed Ingegneria Elettrica, insieme al Prof. Sir John B. Pendry e al Prof. Alexei Kornyshev dell'Imperial College di Londra, hanno riportato un percorso alternativo per migliorare l'estrazione della luce dai LED. Propone di aumentare la trasmissione della luce generata all'interno del chip LED attraverso l'interfaccia LED-chip/incapsulante riducendo la perdita di riflessione di Fresnel all'interfaccia chip/incapsulante all'interno di un cono di fuga di fotoni fisso, pur prescrivendo modifiche minime al processo di fabbricazione.

Il miglioramento della trasmissione della luce si basa sull'interferenza distruttiva tra la luce riflessa dall'interfaccia chip/epossidica e la luce riflessa dalla "meta-griglia". del chip da riflessi indesiderati all'interno del chip.

Questi scienziati riassumono di seguito il principio operativo e i meriti del loro schema "meta-griglia" per il miglioramento della luce a LED:

"Un miglioramento significativo nell'estrazione della luce dai LED può essere ottenuto aumentando la trasmissione attraverso l'interfaccia LED-chip/incapsulante, introducendo un monostrato di nanoparticelle plasmoniche (molto più piccole della lunghezza d'onda della luce emessa) sopra il chip LED che può ridurre la perdita di riflessione di Fresnel all'interfaccia chip/incapsulante, attraverso una trasmissione potenziata originata dall'effetto Fabry-Perot. Un effetto simile è applicabile anche per migliorare l'intrappolamento della luce nelle celle solari, " hanno detto. "Il nostro schema può essere implementato da solo o in combinazione con altri schemi disponibili per aumentare l'efficienza dei LED riducendo le perdite angolari critiche. L'intero quadro teorico originale necessario per l'invenzione è stato sviluppato internamente ed è rigorosamente testato rispetto a strumenti di simulazione commerciali standard. Abbiamo in programma di fabbricare un dispositivo prototipo entro un anno e corroborare le nostre previsioni teoriche con esperimenti." "Il nostro modello teorico consente la determinazione delle condizioni ottimali per la struttura e le proprietà dello strato di 'meta-griglia' di nanoparticelle:vale a dire. il materiale e la composizione delle nanoparticelle, le loro dimensioni e la distanza media tra le particelle, e la distanza dalla superficie del chip LED, che potrebbe fornire il massimo miglioramento nell'estrazione della luce dal chip LED nell'involucro incapsulante, su qualsiasi gamma spettrale di emissione dei LED, " hanno aggiunto.

Debabrata Sikdar ha inoltre commentato:"con il continuo progresso nella tecnologia di nanofabbricazione, sta diventando meno difficile fabbricare le nanoparticelle che sono per lo più monodisperse e hanno una diffusione molto ridotta. Ancora, potrebbe sempre esserci una certa casualità nella dimensione e/o nella posizione delle particelle, planarità della griglia, e variazione dell'indice di rifrazione a causa di errori di fabbricazione o difetti del materiale, che sono inevitabili. Gli effetti della maggior parte di queste imprecisioni possono essere stimati approssimativamente dal nostro studio di tolleranza e ha mostrato la robustezza del meccanismo di estrazione della luce avanzata." "Potrebbero esserci diverse soluzioni ingegneristiche per le meta-griglie nei chip LED. Uno di questi sarebbe quello di utilizzare l'autoassemblaggio di nanoparticelle mediato dall'essiccazione, per esempio. fatto di argento o materiali plasmonici alternativi meno perdite ricoperti con ligandi appropriati, per formare i fogli di 'plasmene' Sikdar-Premaratne-Cheng indipendenti. Questi fogli monostrato di nanoparticelle potrebbero essere resi elastici per una regolazione precisa della separazione interparticellare e potrebbero essere stampati sul chip LED prima che venga fabbricato l'involucro incapsulante. La distanza della "meta-griglia" dalla superficie del chip LED può essere controllata tramite lo spessore del substrato del plasmene, " Ha aggiunto Alexei Kornyshev.

Gli autori sostengono, "In questa invenzione, abbiamo dimostrato l'effetto della 'meta-griglia' per i LED commerciali standard, basato su materiali del gruppo III-V. Ma il concetto proposto di migliorare la trasmissione della luce da uno strato emissivo al suo involucro incapsulante può essere esteso ad altri tipi di dispositivi emettitori di luce contenenti interfaccia strato emissivo/incapsulante. In genere, la nostra idea di utilizzare la "meta-griglia" di nanoparticelle per una migliore estrazione della luce potrebbe potenzialmente soddisfare una gamma più ampia di gadget ottici, non solo LED a semiconduttore."

"La semplicità dello schema proposto e la fisica chiara che lo sostiene dovrebbero renderlo robusto e, auspicabilmente, facilmente adattabile al processo di produzione LED esistente. È ovvio che con una maggiore efficienza di estrazione della luce, I LED forniranno un maggiore risparmio energetico e una maggiore durata dei dispositivi. Ciò avrà sicuramente un impatto globale sulle versatili applicazioni basate su LED e sul loro mercato multimiliardario in tutto il mondo, " Sir John B. Pendry aveva previsto.