Schemi del dispositivo a diodi emettitori di luce (LED) classico e modificato (non in scala). un cartone animato in sezione trasversale di un LED standard (compresi i suoi contatti elettrici), dove una lente/involucro epossidico incapsula il chip LED a semiconduttore. La luce emessa dalla giunzione p-n fuoriesce nella lente epossidica finché l'angolo di incidenza è inferiore all'angolo critico c. b Vista laterale ec Vista 3D del nuovo progetto proposto per una migliore estrazione della luce con una matrice 2D ("meta-griglia") di nanoparticelle (NP) incorporate nel materiale epossidico ad un'altezza h dalla superficie del chip LED. d Modello teorico a quattro strati per l'analisi della trasmissione ottica attraverso il sistema proposto, dove l'array NP è rappresentato da un film efficace di spessore d, le cui proprietà sono derivate dalla teoria del mezzo efficace. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:10.1038/s41377-020-00357-w
Uno strato su misura di nanoparticelle plasmoniche può essere introdotto nell'involucro epossidico di un diodo a emissione di luce (LED) per migliorare l'emissione luminosa del dispositivo, per beneficiare del risparmio energetico e aumentare la durata dei LED. In un nuovo rapporto su Luce naturale:scienza e applicazioni , Debrata Sikdar e un team di scienziati in chimica, elettronica e fisica presso l'Imperial College di Londra e l'Indian Institute of Technology, ha mostrato i vantaggi dell'inclusione di una matrice bidimensionale (2-D) di nanoparticelle d'argento nota come "meta-griglia" nella confezione epossidica a forma di lente. Hanno testato la loro teoria utilizzando simulazioni al computer e hanno dimostrato la capacità di migliorare l'estrazione della luce dal LED basato su meta-griglia di nanoparticelle. L'approccio alternativo può essere personalizzato per adattarsi a un colore specifico di emissione, gli autori hanno proposto alcuni schemi aggiuntivi per implementare la strategia nella tecnologia di produzione dei LED esistente.
Estrazione della luce convenzionale dai LED
I diodi a emissione di luce (LED) sono onnipresenti nel mondo moderno, dai semafori ai display elettronici e nelle applicazioni di purificazione e decontaminazione dell'acqua. Poiché i tipici LED a semiconduttore sono incapsulati da un isolante trasparente che limita l'efficienza dell'estrazione della luce, i ricercatori hanno tentato di migliorare l'efficienza di estrazione della luce dei LED per una migliore emissione luminosa. Lo stesso materiale che incapsula il truciolo può essere un fattore limitante insieme alla perdita di Fresnel; cioè quando una quantità significativa della luce incidente viene riflessa dall'interfaccia nel chip. Per mitigare tali limiti, i ricercatori avevano introdotto materiali con indici di rifrazione più elevati rispetto alla resina epossidica o alla plastica, sebbene le modifiche siano ancora difficili ed economicamente sfavorevoli per l'adattamento della produzione di massa. Ulteriori schemi hanno incluso nanocompositi di nanoparticelle epossidiche o resine epossidiche ingegnerizzate per garantire indici di rifrazione più elevati senza compromettere la trasparenza. Però, un indice di rifrazione maggiore può portare nuovamente a una porzione maggiore della luce riflessa dall'interfaccia incapsulante/aria per contribuire alla perdita di Fresnel.
Spettri di trasmissione che descrivono gli effetti di diversi parametri fisici della meta-griglia NP. Spettri di trasmittanza, calcolato dal modello teorico, raffiguranti gli effetti di diversi parametri fisici della matrice esagonale di nanosfere d'argento, come il raggio R, spazio interparticellare g, e "altezza" h dall'interfaccia tra semiconduttori tipici (n1=3.5) e materiali incapsulanti (n2=1,6):una variazione con g per raggio fisso (R=20nm) e altezza (h=2nm), b variazione con h per raggio fisso (R=20nm) e gap (g=40nm), ec variazione con R per gap fisso (g=40nm) e altezza (h=2nm). d–f Visualizzazione ingrandita degli spettri basati sulla teoria ("analitici"), nei domini evidenziati dalle caselle rosse in (a–c) rispetto ai dati (curve tratteggiate colorate) ottenuti da simulazioni a onda intera. Per tutti i casi, viene considerata solo la luce normalmente incidente. Le linee orizzontali tratteggiate indicano la trasmittanza senza lo strato di nanoparticelle. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:10.1038/s41377-020-00357-w 
In questo lavoro, Sikdar et al. ha proposto modifiche minime al processo di produzione per ridurre la perdita di Fresnel all'interfaccia chip/incapsulante utilizzando un cono di fuga di fotoni fisso per aumentare la trasmissione della luce attraverso la configurazione. Per realizzare questo, hanno posizionato un monostrato di nanoparticelle metalliche (NP) a lunghezza d'onda inferiore come una "meta-griglia" sopra un chip LED convenzionale all'interno del consueto imballaggio incapsulante del chip. Il conseguente miglioramento della trasmissione della luce LED si è verificato a causa di un'interferenza distruttiva tra la luce riflessa dall'interfaccia chip/epossidica e la luce riflessa dalla meta-griglia NP. Riducendo i riflessi dall'interfaccia chip/epossidico, hanno aumentato la durata del chip LED e ridotto al minimo il calore disperso.
Per dimostrare la trasmissione avanzata assistita da nanoparticelle, usavano nanosfere d'argento come potenti risonatori plasmonici, con minima perdita di assorbimento. Il team ha studiato i ruoli del raggio NP, spazi tra le particelle formati dalle nanosfere durante l'assemblaggio dal basso verso l'alto in una matrice esagonale bidimensionale (2-D) e l'influenza dell'altezza delle nanoparticelle (NP). Per calcolare la trasmittanza luminosa, Sikdar et al. utilizzato un emettitore di luce e un rilevatore posti all'interno del chip e del mezzo incapsulante, rispettivamente. Diversi set di array NP hanno fornito il massimo miglioramento nella trasmissione della luce attraverso diverse finestre spettrali e quindi la "meta-griglia" potrebbe essere ottimizzata per ciascun LED rispetto alla sua gamma spettrale di emissione.
Ottenimento di parametri per una trasmissione ottimale e sua dipendenza dall'angolo di incidenza. a–c Ottimizzazione della trasmittanza ottica (T) a 625 nm per l'incidenza normale tramite la regolazione dei parametri dell'array NP. a Trasmittanza massima ottenuta ad ogni altezza h (dove T≥98,5%), e il corrispondente raggio ottimale (b) Ropt, e (c) gap interparticellare gopt. d–f Trasmittanza a diversi angoli di incidenza consentiti per s-polarizzato (rosso), p-polarizzato (blu), e luce non polarizzata (verde) per i casi (1)–(3) [contrassegnati in (a)]; per ogni polarizzazione, le curve tratteggiate mostrano la trasmissione della luce senza l'array NP. g Confronto tra la trasmittanza per luce non polarizzata in questi tre casi. La linea tratteggiata, ottenuto senza l'array NP, funge da riferimento. Qui, AlGaInP (n1=3.49) è il materiale semiconduttore e la resina epossidica (n2=1.58) è il materiale incapsulante. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:10.1038/s41377-020-00357-w 
Il team ha quindi massimizzato la trasmittanza su uno specifico intervallo spettrale utilizzando una struttura ottimizzata della meta-griglia. Gli scienziati hanno osservato una trasmissione della luce migliorata con la configurazione, e ha attribuito il risultato all'effetto Fabry-Perot tra l'interfaccia chip/incapsulante e la meta-griglia NP. Il calo della trasmissione, noto anche come il picco di estinzione, dipendeva dall'altezza, spacco, e altri parametri di meta-grid NP, e illustrato la fisica sottostante del dispositivo. Di conseguenza, variando la distanza e l'altezza della meta-griglia delle nanoparticelle e il raggio delle nanoparticelle d'argento costituenti, gli scienziati hanno influenzato il calo di trasmissione o il picco di estinzione durante l'emissione dei LED.
Per di più, la luce riflessa dall'interfaccia chip/incapsulante interferiva nettamente con la luce riflessa dalla matrice NP, per ridurre efficacemente la riflessione dalla configurazione e aumentare la trasmissione grazie al miglioramento della trasmissione basato sull'effetto Fabry-Perot. L'interfaccia chip/incapsulante e la meta-griglia NP hanno agito come due superfici riflettenti per formare la cavità tra di esse. Il team ha posizionato la meta-griglia all'altezza più vicina possibile all'interfaccia chip/incapsulante per ottimizzarne la posizione e limitare qualsiasi dispersione di radiazioni. Hanno anche mostrato come le piccole NP mostrassero una migliore trasmittanza media dell'angolo per la luce non polarizzata.
Ottimizzazione della trasmittanza (su una finestra spettrale di 580-700 nm mediata su tutti gli angoli incidenti consentiti (al di sotto dell'angolo critico) e la sua sensibilità ai parametri della meta-griglia NP. a Punti con diversi colori di riempimento che rappresentano la deviazione dalla trasmittanza massima (Tmax) per un'altezza fissa di hopt = 33 nm ma vari raggi R e gap g, dove si presume che entrambi questi parametri siano più grandi/più piccoli dei loro valori ottimali fino a 3 nm. Tmax (del 96,2%) si ottiene all'altezza ottimale hopt = 33 nm, per il raggio ottimale di 13 nm e il gap di 13 nm [evidenziato in ciano]. b–g Come in (a), ma per diverse altezze di (hopt − 1), (saltellare + 1), (hopt − 2), (saltellare + 2), (hopt − 3), (saltellare + 3), rispettivamente. Notare che, per i calcoli la finestra spettrale tra 580 e 700 nm è stata considerata ad un passo di 1 nm e gli angoli tra 0° e 26° sono stati presi ad un passo di 1°. Qui, AlGaInP (n = 3.49) è il materiale semiconduttore e la resina epossidica (n = 1.58) è il materiale incapsulante. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:10.1038/s41377-020-00357-w 
Gli scienziati hanno ottenuto una trasmissione potenziata in presenza della meta-griglia ottimizzata, che era significativamente maggiore di quello ottenuto senza NP nella stessa gamma di lunghezze d'onda. La massima trasmittanza del sistema era sensibile a qualsiasi imperfezione nel processo di fabbricazione. Hanno sintonizzato e regolato con precisione la meta-griglia di nanoparticelle sul chip LED per prestazioni ottimali. La risultante meta-griglia NP ha consentito un aumento del 96 percento della trasmissione della luce (che è altrimenti dell'84 percento) dallo strato emissivo allo strato incapsulante.
In questo modo, Debrata Sikdar e colleghi hanno proposto uno schema per migliorare significativamente l'estrazione della luce dai LED aumentando la trasmissione attraverso l'interfaccia chip/incapsulante. Hanno raggiunto questo obiettivo introducendo un monostrato di nanoparticelle plasmoniche (NP) sopra il chip LED per ridurre la perdita di Fresnel e migliorare la trasmissione della luce derivante dall'effetto Fabry-Perot. Il team propone di implementare lo schema da solo o in combinazione con altre strategie disponibili per migliorare l'efficienza dei LED.
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