我們每天常常都在和LED打交道。LED，又稱為發光二極管，是一種廣泛應用于如電子顯示器、交通指示燈、照明、到水凈化和去污的應用中等的能發光的半導體電子元件。

但是，典型的半導體LED是由透明的絕緣體封裝，從而限制了光提取的效率。現在，科學家們開發了一種新的技術用于增強從發光器件提取光的納米粒子超濾柵，從而進一步改善設備的光輸出，從而節省能源并延長LED壽命。該最新研究成果論文發表在最近的《自然》雜志的“光：科學與應用”專刊上。

由倫敦帝國理工學院和印度技術學院的化學、電子和物理科學家組成的研究團隊的研究人員，通過將定制的等離激元納米粒子層引入發光二極管（LED）的環氧樹脂外殼中，以改善設備的光輸出，從而節省能源并延長LED壽命。

他們展示了一個包括二維的納米顆粒的稱為“元網格”（meta-grid），用于透鏡狀環氧樹脂包裝。通過計算機模擬測試了他們的理論，并展示了改善基于納米粒子超網格的LED的光提取的能力。可以定制替代方法以適合特定的發光顏色，論文提出了一些其他方案，以將該策略實施到現有的LED制造技術中。

如上圖所示傳統的和改進后的LED發光二極管器件的示意圖。（a）。 傳統的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芯片。只要入射角小于臨界角θc，從p–n結發出的光就進入環氧透鏡。（b）。 新設計的側視圖。（c）。 新設計的3D視圖，用于利用嵌入LED芯片表面高度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）。 四層堆棧理論模型，用于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。如圖所示為透射光譜描述了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。

在這項工作中，研究人員指出，只需要通過最小的制造工藝更改，以通過使用固定的光子逸出錐來增加整個裝置的光傳輸，從而減少芯片/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”，放置在該芯片通常的封裝包裝內的常規LED芯片之上。由于從芯片/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干涉，導致了LED光傳輸的增強。通過減少芯片/環氧樹脂界面的反射，它們增加了LED芯片的壽命，并最大限度地減少了廢熱。

為了演示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，研究人員使用分別放置在芯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，因此可以相對于其發光光譜范圍針對每個LED優化“元網格”。如圖所示獲取最佳傳輸參數及其對入射角的依賴性。

然后，團隊使用優化的元網格結構在特定光譜范圍內最大化透射率。科學家觀察到該設置增強了光傳輸，并將結果歸因于芯片/密封劑界面與NP元網格之間的法布里-珀羅（Fabry-Perot）效應，透射率下降，也稱為消光峰，取決于高度、間隙和元網格NP的其他參數，并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，由于基于法布里-珀羅效應的透射增強，從芯片/密封劑界面反射的光明顯干擾了NP陣列反射的光，從而有效地減少了來自設置的反射并提高了透射率。芯片/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芯片/密封劑界面最近的高度，以優化其位置并限制任何輻射泄漏。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。

科學家在存在優化的元網格的情況下獲得了增強的透射，這比在相同波長范圍內不使用NP時獲得的透射要大得多。系統的最大透射率對制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芯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％。