L'introduction de la « méta-grille » nouvellement conçue de nanoparticules dans le boîtier en époxy des diodes électroluminescentes (DEL) offre une amélioration substantielle de leur rendement lumineux, en plus d'augmenter la durée de vie, selon les scientifiques qui l'ont inventé. Une « méta-grille » est un réseau bidimensionnel optimisé de nanoparticules métalliques, qui doit être placé à un endroit spécifique dans le boîtier en époxy des LED.

Les LED sont massivement utilisées dans le monde moderne. Des feux tricolores au rétroéclairage des affichages électroniques, smartphone, grands écrans extérieurs, et éclairages décoratifs généraux et à la détection, purification de l'eau, et décontamination des surfaces infectées :les LED sont partout autour de nous ! L'augmentation du rendement lumineux des LED réduirait les besoins en énergie, contribuer à freiner le réchauffement climatique et le changement climatique.

Au cours des années, la tâche de produire un plus grand rendement lumineux pour l'entrée donnée était centrale pour les LED. Le courant dominant de la recherche dans cette direction consistait à explorer de nouveaux matériaux pour l'encapsulation de puces LED, principalement en utilisant soit des verres à indice de réfraction plus élevé, soit des matériaux époxy ou époxy chargés de nanoparticules incorporés avec des poudres de charge ou des résines époxy modifiées, pour n'en nommer que quelques-uns. Cependant, avec ces techniques, soit les puces LED deviennent plus volumineuses, soit leur fabrication devient plus difficile et moins économique pour une production en série.

Dans un nouvel article publié dans Science de la lumière et applications , une équipe de scientifiques—Dr. Debabrata Sikdar, de l'Institut indien de technologie de Guwahati, Département de génie électronique et électrique, avec le professeur Sir John B. Pendry et le professeur Alexei Kornyshev de l'Imperial College de Londres, ont présenté une voie alternative pour améliorer l'extraction de la lumière des LED. Il propose d'augmenter la transmission de la lumière générée à l'intérieur de la puce LED à travers l'interface puce LED/encapsulant en réduisant la perte de réflexion de Fresnel à l'interface puce/encapsulant dans un cône d'échappement de photons fixe, tout en prescrivant des changements minimes au processus de fabrication.

L'amélioration de la transmission de la lumière est basée sur une interférence destructive entre la lumière réfléchie par l'interface puce/époxy et la lumière réfléchie par la "méta-grille". de la puce des réflexions indésirables à l'intérieur de la puce.

Ces scientifiques résument ci-dessous le principe opérationnel et les mérites de leur système de « méta-grille » pour l'amélioration de la lumière LED :

"Une amélioration significative de l'extraction de la lumière des LED peut être obtenue en augmentant la transmission à travers l'interface puce LED/encapsulant, en introduisant une monocouche de nanoparticules plasmoniques (beaucoup plus petites que la longueur d'onde de la lumière émise) au-dessus de la puce LED qui peut réduire la perte de réflexion de Fresnel à l'interface puce/encapsulant, grâce à une transmission renforcée issue de l'effet Fabry-Pérot. Un effet similaire est également applicable pour améliorer le piégeage de la lumière dans les cellules solaires, ", ont-ils déclaré. "Notre système peut être déployé seul ou en combinaison avec d'autres systèmes disponibles pour augmenter l'efficacité des LED en réduisant les pertes d'angle critique. L'ensemble du cadre théorique original nécessaire à l'invention a été développé en interne et est rigoureusement testé par rapport aux outils de simulation commerciaux standard. Nous prévoyons de fabriquer un prototype de dispositif d'ici un an et de corroborer nos prédictions théoriques avec des expériences. le matériau et la composition des nanoparticules, leurs tailles et leur espacement moyen interparticulaire, et la distance de la surface de la puce LED - qui pourrait fournir l'amélioration maximale de l'extraction de la lumière de la puce LED dans le boîtier d'encapsulation, sur n'importe quelle gamme spectrale d'émission de LED, " ont-ils ajouté.

Debabrata Sikdar a ajouté :« avec les progrès continus de la technologie de nanofabrication, il devient de moins en moins difficile de fabriquer les nanoparticules qui sont pour la plupart monodisperses et ont un étalement très étroit. Toujours, il peut toujours y avoir un certain caractère aléatoire dans la taille et/ou la position des particules, planéité de la grille, et la variation de l'indice de réfraction due à une erreur de fabrication ou à des défauts de matériau, qui sont inévitables. Les effets de la plupart de ces inexactitudes peuvent être grossièrement estimés à partir de notre étude de tolérance et cela a montré la robustesse du mécanisme d'extraction de lumière améliorée." "Il pourrait y avoir différentes solutions d'ingénierie pour les méta-grilles des puces LED. L'un d'eux serait d'utiliser l'auto-assemblage par séchage de nanoparticules, par exemple. fait d'argent ou de matériaux plasmoniques alternatifs à moins de pertes coiffés de ligands appropriés, pour former les feuilles « plasmène » de Sikdar-Premaratne-Cheng autonomes. Ces feuilles monocouches de nanoparticules pourraient être rendues étirables pour un réglage précis de la séparation interparticulaire et pourraient être estampées sur la puce LED avant la fabrication du boîtier d'encapsulation. La distance de la « méta-grille » de la surface de la puce LED peut être contrôlée via l'épaisseur du substrat du plasmène, " Alexei Kornyshev a encore ajouté.

Les auteurs prétendent, « Dans cette invention, nous avons démontré l'effet de la « méta-grille » pour les LED commerciales standard, à base de matériaux du groupe III-V. Mais le concept proposé d'amélioration de la transmission de la lumière d'une couche émissive à son boîtier d'encapsulation peut être étendu à d'autres types de dispositifs électroluminescents contenant une interface couche émissive/encapsulant. Généralement, notre idée d'utiliser la « méta-grille » de nanoparticules pour une extraction améliorée de la lumière pourrait potentiellement répondre à un plus large éventail de gadgets optiques, pas seulement des LED à semi-conducteurs."

"La simplicité du schéma proposé et la physique claire qui le sous-tend devraient le rendre robuste et, avec un peu de chance, facilement adaptable au processus de fabrication de LED existant. Il est évident qu'avec une plus grande efficacité d'extraction de lumière, Les LED fourniront de plus grandes économies d'énergie ainsi qu'une durée de vie plus longue des appareils. Cela aura certainement un impact mondial sur les applications polyvalentes à base de LED et leur marché mondial de plusieurs milliards de dollars, " Sir John B. Pendry a prévu.