作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 经典和改进的发光二极管设备示意图(不按比例)
标准发光二极管(包括其电触点)的横截面图，其中环氧树脂透镜/外壳封装了半导体发光二极管芯片
只要入射角小于临界角θc，从pn结发出的光就会逃逸到环氧树脂透镜中
b侧视图和c三维视图，为增强光提取而提出的新设计，纳米粒子的2D阵列(“元网格”)嵌入环氧树脂材料中，距离发光二极管芯片表面高度为h
用于分析通过所提出系统的光传输的四层堆叠理论模型，其中NP阵列由厚度为d的有效膜表示，其特性由有效介质理论导出
信用:光:科学& amp应用，doi: 10
1038/s 14377-020-00357-w 等离子体纳米粒子的定制层可以被引入到发光二极管的环氧树脂外壳中，以改善器件的光输出，有利于节能和延长发光二极管的寿命
在《自然之光:科学与应用》的一份新报告中，德布拉塔·西克达尔和伦敦帝国理工学院和印度理工学院的一组化学、电子和物理科学家展示了在透镜形环氧树脂包装中加入一个被称为“元网格”的二维银纳米粒子阵列的好处
他们使用计算机模拟测试了他们的理论，并展示了改善基于纳米粒子元网格的发光二极管的光提取的能力
替代方法可以定制以适应特定的发射颜色，作者提出了一些额外的方案来将该策略实施到现有的发光二极管制造技术中
发光二极管的常规光提取 发光二极管在现代世界中无处不在，从交通灯到电子显示器，以及在水净化和去污的应用中
由于典型的半导体发光二极管被限制光提取效率的透明绝缘体封装，研究人员试图提高发光二极管的光提取效率以提高光输出
芯片封装材料本身可能是一个限制因素，菲涅尔损失；我
e
当大量入射光从界面反射回芯片时
为了减轻这种限制，研究人员已经引入了折射率高于环氧树脂或塑料的材料，尽管这种改进仍然很困难，并且在经济上不利于大规模生产
其他方案包括纳米粒子-环氧树脂纳米复合材料或工程环氧树脂，以确保更高的折射率而不损害透明度
然而，较大的折射率会再次导致较大部分的光从密封剂/空气界面反射回来，从而导致菲涅尔损耗
描述NP元网格不同物理参数效应的透射谱
根据理论模型计算的透射光谱，描绘了银纳米球的六边形阵列的不同物理参数的影响，例如半径R、粒子间间隙g和距典型半导体之间的界面的“高度”h(n1 = 3
5)并封装(n2=1
6)材料:a为固定半径(R=20nm)和高度(h=2nm)随g变化，b为固定半径(R=20nm)和间隙(g=40nm)随h变化，c为固定间隙(g=40nm)和高度(h=2nm)随R变化
d–f放大基于理论的(“分析”)光谱视图，在(a–c)中由红色方框突出显示的区域中，与从全波模拟中获得的数据(彩色虚线)进行比较
对于所有情况，只考虑正常入射光
水平虚线表示没有纳米颗粒层时的透射率
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1038/s 14377-020-00357-w 一种改进发光二极管光提取的替代方法 在这项工作中，锡克达尔等人
通过使用固定的光子逃逸锥来增加整个装置的光传输，对制造工艺提出最小的改变，以减少芯片/密封剂界面处的菲涅耳损耗
为了实现这一点，他们在传统的发光二极管芯片上放置了一层亚波长金属纳米粒子作为“元网格”，并将其封装在芯片的常规封装中
作为从芯片/环氧树脂界面反射的光和由纳米元栅格反射的光之间的相消干涉的结果，产生了发光二极管光透射的增强
通过减少芯片/环氧树脂界面的反射，它们延长了发光二极管芯片的寿命，并使废热最小化
为了证明纳米粒子辅助的增强传输，他们使用银纳米球作为强等离子体共振腔，吸收损失最小
研究小组研究了纳米粒子半径的作用、纳米粒子自下而上组装成二维六边形阵列时形成的粒子间间隙以及纳米粒子高度的影响
为了计算透光率，锡克达尔等人
使用分别置于芯片和封装介质内部的光发射器和检测器
不同组的纳米粒子阵列在不同光谱窗口的光传输中提供了最大的增强，因此可以针对每个发光二极管的发射光谱范围优化“元网格”
获得最佳透射参数及其与入射角的关系
通过调整纳米粒子阵列参数，优化垂直入射时625纳米处的透光率
在每个高度h获得的最大透射率(其中T≥98
5%)，以及相应的最佳(b)半径Ropt和(c)颗粒间间隙gopt
对于情况(1)-(3)[在(a)中标记]，在不同允许入射角下s偏振(红色)、p偏振(蓝色)和非偏振(绿色)光的d–f透射率；对于每种偏振，虚线显示了没有NP阵列的光传输
这三种情况下非偏振光透射率的比较
虚线是在没有NP阵列的情况下获得的，用作参考
这里，AlGaInP (n1=3
49)是半导体材料和环氧树脂(n2=1
58)是封装材料
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1038/s 14377-020-00357-w 优化纳米粒子元网格 然后，该团队使用元网格的优化结构，在特定光谱范围内最大化透射率
科学家们观察到这种装置增强了光传输，并将结果归功于芯片/密封剂界面和纳米元网格之间的法布里-珀罗效应
透射倾角，也称为消光峰，取决于元网格纳米粒子的高度、间隙和其他参数，并说明了该器件的基本物理特性
结果，通过改变纳米粒子元网格的间隙和高度以及组成银纳米粒子的半径，科学家们影响了发光二极管发射期间的透射下降或消光峰值
此外，由于基于法布里-珀罗效应的透射增强，从芯片/密封剂界面反射的光明显地与从纳米颗粒阵列反射的光干涉，以有效地减少从装置的反射并增加透射
芯片/密封剂界面和纳米元网格充当两个反射表面，以在它们之间形成空腔
研究小组将元网格放置在离芯片/密封剂界面尽可能近的高度，以优化其位置并限制任何辐射泄漏
他们还展示了小纳米粒子如何对非偏振光表现出更好的角度平均透射率
透射率的优化(在580–700纳米的光谱窗口内，在所有允许的入射角(临界角以下)内平均)及其对核电元网格参数的敏感性
a .具有不同填充颜色的点，描绘了对于固定高度hopt = 33纳米但不同半径R和间隙g的最大透射率(Tmax)的偏差，其中假设这两个参数比它们的最佳值大/小3纳米
Tmax(共96个
对于13纳米的最佳半径和13纳米的间隙(以青色突出显示)，在最佳高度hopt = 33纳米时达到2%)
b–g与(a)中相同，但分别为(hopt 1)、(hopt + 1)、(hopt 2)、(hopt + 2)、(hopt 3)、(hopt + 3)的不同高度
注意，对于计算，580和700纳米之间的光谱窗口被认为是1纳米的步长，0和26之间的角度被认为是1的步长
这里，AlGaInP (n = 3
49)是半导体材料和环氧树脂(n = 1
58)是封装材料
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1038/s 14377-020-00357-w NP元网格中的光传输 科学家们在优化的元网格中获得了增强的透射率，在相同的波长范围内，该透射率明显大于没有纳米粒子的透射率
系统的最大透射率对制造过程中的任何缺陷都很敏感
他们精确调整了发光二极管芯片上纳米粒子的元网格，以获得最佳性能
所得的纳米粒子元网格允许从发射层到密封层的光透射增加96%(否则为84%)
通过这种方式，德布拉塔·西克达尔和他的同事提出了一个方案，通过提高芯片/密封剂界面的透射率来显著增强发光二极管的光提取
他们通过在发光二极管芯片上引入单层等离子体纳米粒子来减少菲涅尔损耗，增强源于法布里-珀罗效应的光传输，从而实现了这一目标
该团队建议单独实施该方案或与其他可用策略相结合来提高发光二极管的效率
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