La introducción de la 'meta-rejilla' de nanopartículas de nuevo diseño en la carcasa de epoxi de los diodos emisores de luz (LED) ofrece una mejora sustancial de su salida de luz, además de aumentar la vida útil, según los científicos que lo inventaron. Una 'meta-cuadrícula' es un diseño especial matriz bidimensional optimizada de nanopartículas metálicas, que debe colocarse en una ubicación específica dentro de la carcasa de epoxi de los LED.

Los LED se emplean de forma abrumadora en el mundo moderno. Desde semáforos hasta retroiluminación para pantallas electrónicas, teléfonos inteligentes, grandes pantallas al aire libre, e iluminaciones decorativas generales y sensoriales, Purificación del agua, y descontaminación de superficies infectadas:¡los LED están a nuestro alrededor! El aumento de la salida de luz LED reduciría las necesidades de energía, contribuyendo a frenar el calentamiento global y el cambio climático.

A través de los años, la tarea de producir una mayor salida de luz para la entrada dada era fundamental para los LED. La principal corriente de investigación en esta dirección consistió en explorar nuevos materiales para el encapsulado de chips LED, principalmente mediante el uso de vidrios de índice de refracción más alto o materiales epoxi o epoxi cargados con nanopartículas incorporados con polvos de relleno o resinas epoxi de ingeniería, para nombrar unos pocos. Sin embargo, con estas técnicas, los chips LED se vuelven más voluminosos o su fabricación se vuelve más difícil y menos económica para la producción en masa.

En un nuevo artículo publicado en Ciencias de la luz y aplicaciones , un equipo de científicos — Dr. Debabrata Sikdar, del Instituto Indio de Tecnología Guwahati, Departamento de Electrónica e Ingeniería Eléctrica, junto con el profesor Sir John B. Pendry y el profesor Alexei Kornyshev del Imperial College de Londres, informaron sobre una ruta alternativa para mejorar la extracción de luz de los LED. Propone aumentar la transmisión de la luz generada dentro del chip LED a través de la interfaz chip LED / encapsulante al reducir la pérdida de reflexión de Fresnel en la interfaz chip / encapsulante dentro de un cono de escape de fotón fijo, al tiempo que prescribe cambios mínimos en el proceso de fabricación.

La mejora en la transmisión de la luz se basa en la interferencia destructiva entre la luz reflejada por la interfaz chip / epoxi y la luz reflejada por la 'meta-rejilla'. La reducción de la reflexión de la interfaz chip / epoxi también puede aumentar la vida útil del chip LED al eliminar el calentamiento. del chip de reflejos no deseados dentro del chip.

Estos científicos resumen el principio operativo y los méritos de su esquema de 'meta-cuadrícula' para la mejora de la luz LED a continuación:

"Se puede lograr una mejora significativa en la extracción de luz de los LED aumentando la transmisión a través de la interfaz de chip LED / encapsulante, mediante la introducción de una monocapa de nanopartículas plasmónicas (mucho más pequeña que la longitud de onda de la luz emitida) en la parte superior del chip LED que puede reducir la pérdida de reflexión de Fresnel en la interfaz chip / encapsulante, a través de una transmisión mejorada que se origina en el efecto Fabry-Perot. Un efecto similar también es aplicable para mejorar la captura de luz en las células solares, ", dijeron." Nuestro esquema se puede implementar por sí mismo o en combinación con otros esquemas disponibles para aumentar la eficiencia del LED al reducir las pérdidas de ángulos críticos. Todo el marco teórico original necesario para la invención se ha desarrollado internamente y se prueba rigurosamente con herramientas de simulación comerciales estándar. Planeamos fabricar un dispositivo prototipo dentro de un año y corroborar nuestras predicciones teóricas con experimentos. "" Nuestro modelo teórico permite determinar las condiciones óptimas para la estructura y propiedades de la capa de nanopartículas 'meta-cuadrícula':a saber. el material y la composición de las nanopartículas, sus tamaños y espaciamiento medio entre partículas, y la distancia desde la superficie del chip LED, que podría proporcionar la máxima mejora en la extracción de luz desde el chip LED hacia la carcasa encapsulante, sobre cualquier rango espectral de emisión de LED, ", agregaron.

Debabrata Sikdar comentó además:"con el avance continuo en la tecnología de nanofabricación, Cada vez es menos difícil fabricar las nanopartículas, que en su mayoría son monodispersas y tienen una extensión muy estrecha. Todavía, siempre puede haber algo de aleatoriedad en el tamaño y / o posición de las partículas, planitud de la cuadrícula, y variación en el índice de refracción debido a errores de fabricación o defectos de material, que son inevitables. Los efectos de la mayoría de estas inexactitudes pueden estimarse aproximadamente a partir de nuestro estudio de tolerancia y ha demostrado la solidez del mecanismo de extracción de luz mejorada. "" Podría haber diferentes soluciones de ingeniería para las meta-rejillas en los chips LED. Uno de ellos sería utilizar el autoensamblaje de nanopartículas mediado por secado, p.ej. hecho de plata o materiales plasmónicos alternativos con menos pérdidas cubiertos con ligandos apropiados, para formar las láminas de "plasmene" de Sikdar-Premaratne-Cheng independientes. Esas láminas de monocapa de nanopartículas podrían hacerse estirables para un ajuste preciso de la separación entre partículas y podrían estamparse en el chip LED antes de que se fabrique la carcasa encapsulante. La distancia de la 'meta-cuadrícula' desde la superficie del chip LED se puede controlar a través del grosor del sustrato de plasmena, ", Añadió Alexei Kornyshev.

Los autores afirman, "En esta invención, Hemos demostrado el efecto de la 'meta-cuadrícula' para los LED comerciales estándar, basado en materiales del grupo III-V. Pero el concepto propuesto de mejorar la transmisión de luz desde una capa emisiva a su carcasa encapsulante puede extenderse a otros tipos de dispositivos emisores de luz que contienen una interfaz capa emisiva / encapsulante. Generalmente, Nuestra idea de usar la 'meta-cuadrícula' de nanopartículas para una extracción de luz mejorada podría potencialmente satisfacer una gama más amplia de dispositivos ópticos, no solo LED semiconductores ".

"La simplicidad del esquema propuesto y la física clara que lo sustenta deberían hacerlo robusto y, Ojalá, fácilmente adaptable al proceso de fabricación de LED existente. Es obvio que con una mayor eficiencia de extracción de luz, Los LED proporcionarán un mayor ahorro de energía y una mayor vida útil de los dispositivos. Esto definitivamente tendrá un impacto global en las versátiles aplicaciones basadas en LED y su mercado multimillonario en todo el mundo. "Pronosticó Sir John B. Pendry.