Meta-grade de nanopartículas para extração de luz aprimorada de dispositivos emissores de luz
p Esquemas do dispositivo de diodo emissor de luz (LED) clássico e modificado (fora da escala). um desenho transversal de um LED padrão (incluindo seus contatos elétricos), onde uma lente / invólucro de epóxi encapsula o chip de LED semicondutor. A luz emitida pela junção p – n escapa para a lente epóxi, desde que o ângulo de incidência seja menor que o ângulo crítico θc. b Vista lateral ec vista 3D do novo design proposto para extração de luz aprimorada com uma matriz 2D ("meta-grade") de nanopartículas (NPs) incorporadas no material epóxi a uma altura h da superfície do chip de LED. d Modelo teórico de pilha de quatro camadas para análise da transmissão óptica através do sistema proposto, onde a matriz NP é representada por um filme efetivo de espessura d, cujas propriedades são derivadas da teoria do meio efetivo. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-020-00357-w
p Uma camada personalizada de nanopartículas plasmônicas pode ser introduzida no revestimento de epóxi de um diodo emissor de luz (LED) para melhorar a saída de luz do dispositivo, para beneficiar a economia de energia e aumentar a vida útil do LED. Em um novo relatório sobre
Nature Light:Ciência e Aplicações , Debrata Sikdar e uma equipe de cientistas em química, eletrônica e física no Imperial College London e no Indian Institute of Technology, mostrou os benefícios de incluir uma matriz bidimensional (2-D) de nanopartículas de prata conhecida como uma 'meta-grade' para o pacote de epóxi em forma de lente. Eles testaram sua teoria usando simulações de computador e demonstraram a capacidade de melhorar a extração de luz do LED baseado em meta-grade de nanopartículas. A abordagem alternativa pode ser personalizada para se adequar a uma cor específica de emissão, os autores propuseram alguns esquemas adicionais para implementar a estratégia na tecnologia de fabricação de LED existente. p
Extração de luz convencional de LEDs
p Diodos emissores de luz (LEDs) são onipresentes no mundo moderno, de semáforos a displays eletrônicos e em aplicações de purificação e descontaminação de água. Uma vez que os LEDs semicondutores típicos são encapsulados por um isolador transparente que limita a eficiência da extração de luz, pesquisadores tentaram aumentar a eficiência de extração de luz dos LEDs para melhorar a saída de luz. O próprio material de encapsulamento do chip pode ser um fator limitante ao lado da perda de Fresnel; ou seja, quando uma quantidade significativa da luz incidente é refletida de volta da interface para o chip. Para mitigar esses limites, pesquisadores introduziram materiais com índices de refração mais elevados do que epóxi ou plástico, embora as reparações ainda sejam difíceis e economicamente desfavoráveis para a adaptação à produção em massa. Esquemas adicionais incluem nanocompósitos de nanopartículas epóxi ou resinas epóxi projetadas para garantir índices de refração mais altos sem comprometer a transparência. Contudo, um índice de refração maior pode novamente levar a uma porção maior da luz sendo refletida de volta da interface encapsulante / ar para contribuir para a perda de Fresnel.
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p Espectros de transmissão que descrevem os efeitos de diferentes parâmetros físicos da meta-grade NP. Espectros de transmitância, calculado a partir do modelo teórico, retratando os efeitos de diferentes parâmetros físicos da matriz hexagonal de nanoesferas de prata, como o raio R, lacuna interpartícula g, e "altura" h da interface entre materiais semicondutores típicos (n1 =3,5) e encapsulantes (n2 =1,6):uma variação com g para raio fixo (R =20nm) e altura (h =2nm), variação de b com h para raio fixo (R =20nm) e lacuna (g =40nm), ec variação com R para lacuna fixa (g =40nm) e altura (h =2nm). d – f Visão ampliada dos espectros baseados na teoria ("analíticos"), nos domínios destacados pelas caixas vermelhas em (a – c) em comparação com os dados (curvas pontilhadas coloridas) obtidos a partir de simulações de onda completa. Para todos os casos, normalmente apenas a luz incidente é considerada. As linhas horizontais pontilhadas indicam transmitância sem a camada de nanopartículas. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-020-00357-w
Uma rota alternativa para melhorar a extração de luz de LEDs
p Nesse trabalho, Sikdar et al. propôs mudanças mínimas para o processo de fabricação para reduzir a perda de Fresnel na interface chip / encapsulante usando um cone de escape de fóton fixo para aumentar a transmissão de luz através da configuração. Para conseguir isso, eles colocaram uma monocamada de nanopartículas metálicas de subcomprimento de onda (NPs) como uma 'meta-grade' no topo de um chip LED convencional dentro da embalagem encapsulante usual do chip. O aprimoramento resultante da transmissão de luz LED ocorreu como resultado da interferência destrutiva entre a luz refletida da interface do chip / epóxi e a luz refletida pela meta-grade NP. Ao reduzir a reflexão da interface chip / epóxi, eles aumentaram a vida útil do chip LED e minimizaram o calor residual.
p Para demonstrar a transmissão aprimorada assistida por nanopartículas, eles usaram nanoesferas de prata como fortes ressonadores plasmônicos, com perda de absorção mínima. A equipe estudou as funções do raio NP, lacunas interpartículas formadas pelas nanoesferas durante a montagem de baixo para cima em uma matriz hexagonal bidimensional (2-D) e a influência da altura das nanopartículas (NP). Para calcular a transmitância de luz, Sikdar et al. usou um emissor de luz e detector colocado dentro do chip e o meio de encapsulamento, respectivamente. Diversos conjuntos de matrizes NP forneceram o aprimoramento máximo na transmissão de luz em diferentes janelas espectrais e, portanto, a 'meta-grade' poderia ser otimizada para cada LED em relação à sua faixa espectral de emissão.
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p Obtenção de parâmetros para transmissão ideal e sua dependência do ângulo de incidência. a – c Otimização da transmitância óptica (T) em 625nm para incidência normal via ajuste dos parâmetros de matriz NP. a Transmitância máxima obtida em cada altura h (onde T≥98,5%), e o raio Ropt ideal (b) correspondente, e (c) intervalo interpartículas gopt. Transmitância d – f em diferentes ângulos incidentes permitidos para s-polarizado (vermelho), polarizado p (azul), e luz não polarizada (verde) para os casos (1) - (3) [marcados em (a)]; para cada polarização, as curvas pontilhadas mostram a transmissão de luz sem a matriz NP. g Comparação entre a transmitância para luz não polarizada nesses três casos. A linha pontilhada, obtido sem a matriz NP, serve de referência. Aqui, AlGaInP (n1 =3,49) é o material semicondutor e epóxi (n2 =1,58) é o material encapsulante. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-020-00357-w
Otimizando a meta-grade de nanopartículas
p A equipe então maximizou a transmitância em uma faixa espectral específica usando uma estrutura otimizada da meta-grade. Os cientistas observaram uma transmissão de luz aprimorada com a configuração, e creditaram o resultado ao efeito Fabry-Perot entre a interface chip / encapsulante e a meta-grade NP. A queda de transmissão, também conhecido como pico de extinção, dependia da altura, Gap =Vão, e outros parâmetros de NPs de meta-grade, e ilustrou a física subjacente do dispositivo. Como resultado, variando a lacuna e a altura da meta-grade de nanopartículas e o raio das nanopartículas de prata constituintes, os cientistas influenciaram a queda da transmissão ou pico de extinção durante a emissão do LED.
p Além disso, a luz refletida da interface chip / encapsulante interferia distintamente com a luz refletida da matriz NP, para reduzir efetivamente o reflexo da configuração e aumentar a transmissão devido ao aprimoramento de transmissão baseado no efeito Fabry-Perot. A interface chip / encapsulante e a meta-grade NP agiram como duas superfícies reflexivas para formar a cavidade entre elas. A equipe colocou a meta-grade na altura mais próxima possível da interface do chip / encapsulante para otimizar sua posição e restringir qualquer vazamento de radiação. Eles também mostraram como os NPs pequenos exibiram uma melhor transmitância média do ângulo para luz não polarizada.
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p Otimização da transmitância (ao longo de uma janela espectral de 580-700 nm em média sobre todos os ângulos incidentes permitidos (abaixo do ângulo crítico) e sua sensibilidade aos parâmetros da meta-grade NP. A Pontos com diferentes cores de preenchimento que descrevem o desvio da transmitância máxima (Tmax) para uma altura fixa de hopt =33 nm, mas vários raios R e lacuna g, onde ambos os parâmetros são considerados maiores / menores do que seus valores ideais em até 3 nm. Tmax (de 96,2%) é alcançado na altura ideal hopt =33 nm, para o raio ideal de 13 nm e gap de 13 nm [destacado em ciano]. b – g O mesmo que em (a), mas para diferentes alturas de (hopt - 1), (hopt + 1), (hopt - 2), (hopt + 2), (hopt - 3), (hopt + 3), respectivamente. Observe que, para os cálculos considerou-se a janela espectral entre 580 e 700 nm em uma etapa de 1 nm e ângulos entre 0 ° e 26 ° em uma etapa de 1 °. Aqui, AlGaInP (n =3,49) é o material semicondutor e epóxi (n =1,58) é o material encapsulante. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-020-00357-w
Transmissão de luz na meta-grade NP
p Os cientistas obtiveram transmissão aprimorada na presença da meta-grade otimizada, que foi significativamente maior do que o obtido sem NPs na mesma faixa de comprimentos de onda. A transmissão máxima do sistema foi sensível a quaisquer imperfeições no processo de fabricação. Eles sintonizaram e ajustaram com precisão a meta-grade de nanopartículas no chip de LED para um desempenho ideal. A meta-grade NP resultante permitiu um aumento de 96 por cento na transmissão de luz (que de outra forma é de 84 por cento) da camada emissiva para a camada encapsulante.
p Desta maneira, Debrata Sikdar e colegas propuseram um esquema para melhorar significativamente a extração de luz dos LEDs, aumentando a transmissão através da interface chip / encapsulante. Eles conseguiram isso introduzindo uma monocamada de nanopartículas plasmônicas (NPs) no topo do chip LED para reduzir a perda de Fresnel e melhorar a transmissão de luz originada do efeito Fabry-Perot. A equipe propõe a implementação do esquema por si só ou em combinação com outras estratégias disponíveis para aumentar a eficiência do LED. p © 2020 Science X Network
