作者:索尼娅·费尔南德斯，加州大学圣巴巴拉分校 信用:ORNL 加州大学圣巴巴拉分校的研究人员继续用一种新方法将发光二极管设计的界限推得更远，这种新方法可以为更高效、多功能的发光二极管显示和照明技术铺平道路
在《自然光子学》杂志上发表的一篇论文中，UCSB电气和计算机工程教授乔纳森·舒勒及其合作者描述了这种新方法，这种方法可以让各种各样的发光二极管设备——从虚拟现实耳机到汽车照明——同时变得更加复杂和时尚
“我们展示的是一种新的光子架构，它不仅允许你提取更多的光子，还可以将它们导向你想要的地方，”舒勒说
他解释说，这种性能的提高是在没有外部封装元件的情况下实现的，这些元件通常用于控制发光二极管发出的光
发光二极管中的光是在半导体材料中产生的。当被激发时，带负电的电子沿着半导体的晶格行进，遇到带正电的空穴(没有电子)，并转换到较低的能量状态，从而释放出光子
在他们的测量过程中，研究人员发现大量的光子正在产生，但没有从发光二极管中发出
“我们意识到，如果你在构图前观察发射光子的角度分布，它往往会在某个方向达到峰值，而这个方向通常会被捕获在发光二极管结构中，”舒勒说
“所以我们意识到，你可以使用传统的元曲面概念，围绕正常情况下捕获的光线进行设计
" 他们选定的设计由一组1
蓝宝石衬底上的45微米长的氮化镓(GaN)纳米棒，其中嵌入了铟镓氮化物的量子阱，以限制电子和空穴，从而发光
除了让更多的光离开半导体结构之外，这个过程还使光偏振，合著者普拉萨德·伊耶说，“这对于许多应用来说是至关重要的
" 纳米天线 几年前，当伊尔在舒勒的实验室完成博士学位时，他想到了这个项目。在那里，他的研究重点是光子技术和亚波长尺度的光学现象
亚表面——具有与光相互作用的纳米级特征的工程表面——是他研究的重点
“亚表面本质上是一个亚波长的天线阵列，”伊尔说，他之前正在研究如何用亚表面来控制激光束
他知道典型的亚表面依靠入射激光束的高度定向特性来产生高度定向的出射光束
另一方面，发光二极管发出自发的光，与激光激发的相干光相反
舒勒解释说:“自发辐射采样了光子被允许走的所有可能的路径，所以光看起来像光子的喷雾，向所有可能的方向传播。”
问题是，他们能否通过仔细的纳米尺度设计和半导体表面的制造，将产生的光子聚集到所需的方向？ “人们以前已经做过发光二极管的图案化，”伊尔说，但是这些努力总是将发光二极管分成多个方向，效率很低
“没有人设计出一种方法来控制发光二极管向单一方向的光发射
" 天时地利人和 伊尔说，没有一组专家合作者的帮助，这是一个无法解决的难题
氮化镓非常难加工，需要专门的工艺来制造高质量的晶体
世界上只有少数几个地方有制造如此精密设计的材料的专业知识
幸运的是，加州大学圣巴巴拉分校是固态照明和能源电子中心的所在地
凭借上海光源工程学院的专业知识和该学院世界级的纳米制造设施，研究人员设计并制作了半导体表面的图案，以适应自发发光的亚表面概念
“我们非常幸运能与世界专家合作制作这些东西，”舒勒说
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