宾夕法尼亚州立大学安德里亚·艾尔斯·刀子乐队 三维非对称金字塔的扫描电子显微镜图像
学分:宾夕法尼亚州立大学 宾夕法尼亚州立大学的研究人员表示，一种新型发光二极管灯泡有朝一日可以照亮家庭并降低电费。他们认为，用模仿萤火虫的结构制成的发光二极管可以提高效率
“发光二极管灯泡在清洁能源中起着关键作用，”电气工程教授尹说
“目前商用发光二极管的整体效率只有50%左右
主要关注的问题之一是如何提高发光二极管的所谓光提取效率
我们的研究集中在如何从发光二极管中获取光
" 萤火虫和发光二极管在释放它们产生的光时面临着类似的挑战，因为光会向后反射并消失
发光二极管的一个解决方案是在表面织构化微观结构——微观投影——让更多的光逸出
在大多数发光二极管中，这些突起是对称的，每一侧都有相同的斜率
萤火虫的灯笼也有这些微结构，但研究人员注意到萤火虫灯笼上的微结构是不对称的——侧面以不同的角度倾斜，呈现出不平衡的外观
“后来我发现萤火虫的灯笼上不仅有这些不对称的微结构，而且据报道一种发光的蟑螂在它们的发光点上也有类似的结构，”该研究的主要作者、电机工程博士生陈长江说
“这就是我试图利用不对称结构深入研究光提取效率的地方
" 利用不对称的金字塔来创造微结构表面，研究小组发现它们可以将光提取效率提高到90%左右
这些发现最近在Optik网站上发表，并将在4月份的印刷版上发表
扫描电子显微镜图像的对称金字塔是三维的
学分:宾夕法尼亚州立大学 尹认为，不对称的微结构以两种方式增加了光的提取
首先，不对称金字塔的表面积越大，光与表面的相互作用就越大，因此捕获的光就越少
第二，当光线照射到不对称金字塔的两个不同斜面时，反射会产生更大的随机效应，光线会有第二次机会逃逸
在研究人员使用基于计算机的模拟来表明非对称表面理论上可以改善光提取之后，他们接下来通过实验证明了这一点
使用纳米级三维打印，该团队创建了对称和不对称的表面，并测量了发射的光量
不出所料，不对称的表面让更多的光释放出来
随着对清洁能源需求的增加，基于发光二极管的照明市场正在快速增长，预计到2024年将达到850亿美元
“十年前，如果你去沃尔玛或洛斯，发光二极管只是他们照明库存的一小部分，”尹说
“现在，当人们购买灯泡时，大多数人都会购买发光二极管
" 发光二极管比传统的白炽灯或荧光灯更环保，因为它们寿命更长，能效更高
两个过程有助于发光二极管的整体效率
首先是光的产生——量子效率——这是通过能量通过发光二极管材料时有多少电子转化为光来衡量的
这部分已经在商用发光二极管中进行了优化
第二个过程是从发光二极管中获取光——称为光提取效率
比较对称和不对称结构发出的光
学分:宾夕法尼亚州立大学 “我们在量子效率方面能提高的其他东西是有限的，”尹说
“但是还有很大的空间来进一步提高光提取效率
" 在商业发光二极管中，纹理表面是由蓝宝石晶片制成的
首先，紫外光被用来在蓝宝石表面创建一个掩蔽图案，以提供对化学物质的保护
然后当施加化学物质时，它们溶解图案周围的蓝宝石，形成金字塔阵列
“你可以这样想，如果我保护一个圆形区域，同时攻击整个基底，我应该得到一个火山一样的结构，”陈解释说
在传统的发光二极管中，由于蓝宝石晶体的取向，生产过程通常产生对称的金字塔
根据陈的说法，研究小组发现，如果他们以一个倾斜的角度切割蓝宝石块，同样的过程会产生倾斜的金字塔
研究人员只改变了生产过程的一部分，表明他们的方法可以很容易地应用于发光二极管的商业生产
研究人员已经为这项研究申请了专利
“一旦我们获得专利，我们将考虑与该领域的制造商合作，将这项技术商业化，”尹说
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