A introdução da recém-projetada 'meta-grade' de nanopartículas no invólucro de epóxi de diodos emissores de luz (LEDs) oferece uma melhoria substancial de sua saída de luz, além de aumentar a vida útil, de acordo com os cientistas que o inventaram. Uma 'meta-grade' é especialmente projetada, matriz bidimensional otimizada de nanopartículas metálicas, que precisa ser colocado em um local específico dentro do invólucro de epóxi dos LEDs.

Os LEDs são amplamente empregados no mundo moderno. De semáforos a iluminação de fundo para telas eletrônicas, smartphones, grandes telas externas, e iluminações decorativas gerais e para detecção, purificação da água, e descontaminação de superfícies infectadas - LEDs estão ao nosso redor! Aumentar a saída de luz LED reduziria as necessidades de energia, contribuindo para conter o aquecimento global e as mudanças climáticas.

Ao longo dos anos, a tarefa de produzir maior saída de luz para a entrada fornecida era central para os LEDs. A principal corrente de pesquisa nesta direção foi a exploração de novos materiais para encapsulamento de chip de LED, principalmente usando vidros de índice de refração mais alto ou materiais epóxi carregados com nanopartículas ou epóxi incorporados com pós de enchimento ou resinas epóxi projetadas, para nomear alguns. Contudo, com essas técnicas, os chips de LED se tornam mais volumosos ou sua fabricação se torna mais difícil e menos econômica para a produção em massa.

Em um novo artigo publicado em Ciência leve e aplicações , uma equipe de cientistas - Dr. Debabrata Sikdar, do Instituto Indiano de Tecnologia Guwahati, Departamento de Eletrônica e Engenharia Elétrica, juntamente com o Prof. Sir John B. Pendry e o Prof. Alexei Kornyshev do Imperial College London - relataram uma rota alternativa para melhorar a extração de luz dos LEDs. Ele propõe o aumento da transmissão da luz gerada dentro do chip de LED através da interface do chip de LED / encapsulante, reduzindo a perda de reflexão de Fresnel na interface do chip / encapsulante dentro de um cone de escape de fóton fixo, enquanto prescreve mudanças mínimas para o processo de fabricação.

O aprimoramento na transmissão de luz é baseado na interferência destrutiva entre a luz refletida da interface do chip / epóxi e a luz refletida pela 'meta-grade. "A redução da reflexão da interface do chip / epóxi também pode aumentar a vida útil do chip LED, eliminando o aquecimento do chip de reflexos indesejados dentro do chip.

Esses cientistas resumem o princípio operacional e os méritos de seu esquema de 'meta-grade' para o aprimoramento da luz LED abaixo:

"Um aprimoramento significativo na extração de luz de LEDs pode ser alcançado aumentando a transmissão através da interface de chip de LED / encapsulante, introduzindo uma monocamada de nanopartículas plasmônicas (muito menor do que o comprimento de onda da luz emitida) no topo do chip de LED que pode reduzir a perda de reflexão de Fresnel na interface chip / encapsulante, por meio de transmissão aprimorada originada do efeito Fabry-Perot. Um efeito semelhante também é aplicável para aumentar a captura de luz nas células solares, "eles disseram." Nosso esquema pode ser implantado sozinho ou em combinação com outros esquemas disponíveis para aumentar a eficiência do LED, reduzindo as perdas de ângulo crítico. Todo o arcabouço teórico original necessário para a invenção foi desenvolvido internamente e é rigorosamente testado em comparação com ferramentas de simulação comerciais padrão. Planejamos fabricar um dispositivo protótipo dentro de um ano e corroborar nossas previsões teóricas com experimentos. "" Nosso modelo teórico permite a determinação das condições ideais para a estrutura e propriedades da camada de nanopartícula 'meta-grade':viz. o material e a composição das nanopartículas, seus tamanhos e espaçamento médio entre as partículas, e a distância da superfície do chip de LED - que poderia fornecer o máximo aprimoramento na extração de luz do chip de LED para o invólucro de encapsulamento, sobre qualquer faixa espectral de emissão de LEDs, "acrescentaram.

Debabrata Sikdar comentou ainda:"com o avanço contínuo na tecnologia de nanofabricação, está se tornando menos difícil fabricar as nanopartículas, que são em sua maioria monodispersas e têm uma distribuição muito estreita. Ainda, sempre pode haver alguma aleatoriedade no tamanho e / ou posição das partículas, planicidade da grade, e variação no índice de refração devido a erro de fabricação ou defeitos de material, que são inevitáveis. Os efeitos da maioria dessas imprecisões podem ser aproximadamente estimados a partir de nosso estudo de tolerância e mostrou a robustez do mecanismo de extração de luz aprimorada. "" Pode haver diferentes soluções de engenharia para as meta-redes nos chips de LED. Um deles seria usar a automontagem mediada por secagem de nanopartículas, por exemplo. feito de prata ou materiais plasmônicos alternativos com menos perdas revestidos com ligantes apropriados, para formar as folhas de 'plasmeno' Sikdar-Premaratne-Cheng independentes. Essas folhas de monocamada de nanopartículas podem ser esticadas para um ajuste preciso da separação entre as partículas e podem ser estampadas no chip de LED antes que o invólucro de encapsulamento seja fabricado. A distância da 'meta-grade' da superfície do chip de LED pode ser controlada através da espessura do substrato do plasmeno, "Alexei Kornyshev acrescentou.

Os autores afirmam, "Nesta invenção, demonstramos o efeito da 'meta-grade' para os LEDs comerciais padrão, com base em materiais do grupo III-V. Mas o conceito proposto de intensificar a transmissão de luz de uma camada emissiva para seu invólucro encapsulante pode ser estendido a outros tipos de dispositivos emissores de luz contendo interface camada emissiva / encapsulante. Geralmente, nossa ideia de usar a nanopartícula 'meta-grade' para extração de luz aprimorada pode potencialmente atender a uma gama mais ampla de dispositivos ópticos, não apenas LEDs de semicondutores. "

"A simplicidade do esquema proposto e a física clara que o sustentam devem torná-lo robusto e, esperançosamente, facilmente adaptável ao processo de fabricação de LEDs existentes. É óbvio que com maior eficiência de extração de luz, Os LEDs proporcionarão maior economia de energia, bem como maior vida útil dos dispositivos. Isso definitivamente terá um impacto global nas aplicações versáteis baseadas em LED e em seu mercado multibilionário em todo o mundo, "Sir John B. Pendry previu.