下圖所示，中心的示意圖描繪了一個LED，該LED帶有等離子（如貴金屬）納米顆粒的“元網格”，尺寸遠小于發(fā)射光的波長。在LED芯片的環(huán)氧樹脂外殼內，在距LED芯片/封裝材料界面適當高度處放置一個經過特殊設計的優(yōu)化尺寸、形狀和粒子間分離的“元網格”，能夠產生更大的光輸出，并延長器件壽命。外圍的圖標呈現了不同的可能應用場景作為舉例。

據發(fā)明者稱，將新設計的納米顆?！霸W格”引入到發(fā)光二極管（led）的環(huán)氧樹脂外殼中，除了延長壽命外，還可以顯著提高發(fā)光二極管的光輸出?！霸W格”是一種經過特殊設計、優(yōu)化的二維金屬納米粒子陣列，需要放置在LED環(huán)氧樹脂外殼內的特定位置。

LED在現代世界中占絕大多數。從交通燈到電子顯示屏的背光、智能手機、大型戶外屏幕和一般裝飾性照明，再到傳感、水凈化和凈化受感染表面的LED，都在我們身邊！增加LED燈的輸出將減少能源需求，有助于遏制全球變暖和氣候變化。

多年來，為給定的輸入產生更大的光輸出是led的核心任務。這一方向的研究主流是探索LED芯片封裝的新材料，主要是通過使用高折射率玻璃或納米載環(huán)氧樹脂，或與填充粉或工程環(huán)氧樹脂混合的環(huán)氧材料。然而，隨著這些技術，要么LED芯片變得更大，要么他們的制造變得更困難，大規(guī)模生產更加不經濟。

在一篇發(fā)表在Light Science&Applications上的一篇新論文中，來自印度古瓦哈提技術學院電子與電氣工程系的Debabrata Sikdar博士，倫敦帝國理工學院的johnb.Pendry教授和Alexei Kornyshev教授共同報道了一種改進led光提取的替代方法。它提出通過減少固定光子逃逸錐內芯片/封裝材料界面處的菲涅耳反射損耗，提高LED芯片內部產生的光在LED芯片/封裝材料界面上的傳輸，同時規(guī)定對現有制造工藝有較小的改變。

光傳輸的增強基于芯片/環(huán)氧樹脂界面反射的光與“元網格”反射的光之間的破壞性干擾。減少芯片/環(huán)氧樹脂界面的反射也可以通過消除芯片內部不需要的反射加熱芯片，從而延長LED芯片的壽命。

這些科學家總結了他們用于LED光增強的“元網格”方案的工作原理和優(yōu)點：

“通過增強LED芯片/封裝材料接口的傳輸，可以顯著提高LED的光提取能力，通過在LED芯片頂部引入一層等離子納米顆粒（遠小于發(fā)射光的波長），通過法布里-珀羅效應的增強傳輸，可降低芯片/封裝材料界面的菲涅耳反射損耗。類似的效果也適用于增強太陽能電池的光捕獲，”他們說，“我們的方案可以自行部署，也可以與其他方案結合使用，通過降低臨界角損耗來提高LED的效率。本發(fā)明所需的整個原始理論框架都是內部開發(fā)的，并根據標準商業(yè)模擬工具進行了嚴格的測試。我們計劃在一年內制造出一個原型裝置，并用實驗證實我們的理論預測。我們的理論模型可以確定納米顆?！W格’層結構和性能的最佳條件：即。納米顆粒的材料和成分，它們的尺寸和平均粒間間距，以及與LED芯片表面的距離，這些距離可以在LED芯片的任何發(fā)射光譜范圍內最大程度地增強從LED芯片到封裝外殼的光提取，”他們補充道。

Debabrata Sikdar進一步評論道：“隨著納米制造技術的不斷進步，制造單分散且分布非常窄的納米顆粒變得越來越不困難。然而，由于制造誤差或材料缺陷，顆粒尺寸和/或位置、網格的平坦度以及折射率的變化總是不可避免的。從我們的公差研究中可以粗略估計出這些誤差的影響，并顯示了增強光提取機制的魯棒性。對于LED芯片中的元網格，可能有不同的工程解決方案。其中之一是使用干燥介導的納米顆粒自組裝，例如由銀或其他損耗較小的等離子材料制成，并覆蓋適當的配體，形成獨立的結構薄片。這些單分子層納米片可以被拉伸以精確調節(jié)粒子間的分離，并且可以在封裝外殼制造之前壓在LED芯片上?！W格’與LED芯片表面的距離可以通過等離子體基板的厚度來控制，”Alexei Kornyshev進一步補充道。

作者聲稱，“在本發(fā)明中，我們展示了基于III-V組材料的標準商用LED‘元網格’的效果。但是，所提出的增強從發(fā)射層到其封裝材料外殼的光傳輸的概念可以擴展到包含發(fā)射層/封裝劑界面的其他類型的發(fā)光器件。一般來說，我們使用納米顆?！W格’來增強光提取的想法可能會迎合更廣泛的光學器件，而不僅僅是半導體LED。”

“擬議方案的簡單性和清晰的物理基礎應使其堅固耐用，并有望輕松適應現有的LED制造工藝。很明顯，隨著更大的光提取效率，led將提供更大的節(jié)能和更長的壽命的設備。這肯定會對基于LED的多功能應用和全球數十億美元的市場產生全球影響，”johnb.Pendry預測道。