Schémas du dispositif à diodes électroluminescentes (DEL) classique et modifié (pas à l'échelle). un dessin en coupe d'une LED standard (y compris ses contacts électriques), où une lentille/un boîtier en époxy encapsule la puce LED à semi-conducteur. La lumière émise par la jonction p–n s'échappe dans la lentille époxy tant que l'angle incident est inférieur à l'angle critique c. b Vue latérale et c Vue 3D de la nouvelle conception proposée pour une extraction améliorée de la lumière avec un réseau 2D (« méta-grille ») de nanoparticules (NP) intégrées dans le matériau époxy à une hauteur h de la surface de la puce LED. d Modèle théorique à quatre couches pour analyser la transmission optique à travers le système proposé, où le réseau NP est représenté par un film efficace d'épaisseur d, dont les propriétés sont dérivées de la théorie du milieu effectif. Crédit :Lumière :Science &Applications, doi:10.1038/s41377-020-00357-w
Une couche sur mesure de nanoparticules plasmoniques peut être introduite dans le boîtier époxy d'une diode électroluminescente (LED) pour améliorer le rendement lumineux du dispositif, pour bénéficier d'économies d'énergie et augmenter la durée de vie des LED. Dans un nouveau rapport sur Lumière de la nature :science et applications , Debrata Sikdar et une équipe de scientifiques en chimie, l'électronique et la physique à l'Imperial College de Londres et à l'Indian Institute of Technology, a montré les avantages de l'inclusion d'un réseau bidimensionnel (2D) de nanoparticules d'argent connu sous le nom de « méta-grille » à l'emballage en époxy en forme de lentille. Ils ont testé leur théorie à l'aide de simulations informatiques et ont démontré la capacité d'améliorer l'extraction de la lumière à partir de la LED à base de méta-grille de nanoparticules. L'approche alternative peut être personnalisée pour s'adapter à une couleur d'émission spécifique, les auteurs ont proposé quelques schémas supplémentaires pour mettre en œuvre la stratégie dans la technologie de fabrication LED existante.
Extraction de lumière conventionnelle à partir de LED
Les diodes électroluminescentes (LED) sont omniprésentes dans le monde moderne, des feux de circulation aux affichages électroniques et dans les applications de purification et de décontamination de l'eau. Étant donné que les LED à semi-conducteurs typiques sont encapsulées par un isolant transparent qui limite l'efficacité de l'extraction de la lumière, les chercheurs ont tenté d'améliorer l'efficacité d'extraction de la lumière des LED pour un meilleur rendement lumineux. Le matériau d'encapsulation des puces lui-même peut être un facteur limitant aux côtés de la perte de Fresnel; c'est-à-dire lorsqu'une quantité importante de la lumière incidente est réfléchie de l'interface dans la puce. Pour atténuer ces limites, les chercheurs avaient introduit des matériaux avec des indices de réfraction plus élevés que l'époxy ou le plastique, bien que les amendes soient encore difficiles et économiquement défavorables à l'adaptation de la production de masse. Des schémas supplémentaires ont inclus des nanocomposites nanoparticules-époxy ou des résines époxy conçues pour garantir des indices de réfraction plus élevés sans compromettre la transparence. Cependant, un indice de réfraction plus élevé peut à nouveau conduire à une plus grande partie de la lumière réfléchie par l'interface encapsulant/air pour contribuer à la perte de Fresnel.
Spectres de transmission illustrant les effets de différents paramètres physiques de la méta-grille NP. Spectres de transmission, calculé à partir du modèle théorique, représentant les effets de différents paramètres physiques du réseau hexagonal de nanosphères d'argent, tel que le rayon R, écart interparticulaire g, et « hauteur » h à partir de l'interface entre les matériaux typiques semi-conducteur (n1=3,5) et encapsulant (n2=1,6) :une variation avec g pour un rayon (R=20nm) et une hauteur (h=2nm) fixes, b variation avec h pour rayon fixe (R=20nm) et jeu (g=40nm), et c variation avec R pour un écart fixe (g=40nm) et une hauteur (h=2nm). d–f Vue agrandie des spectres théoriques (« analytiques »), dans les domaines mis en évidence par les encadrés rouges en (a–c) par rapport aux données (courbes colorées en pointillés) obtenues à partir de simulations pleine onde. Pour tous les cas, seule la lumière normalement incidente est prise en compte. Les lignes horizontales en pointillés indiquent la transmittance sans la couche de nanoparticules. Crédit :Lumière :Science &Applications, doi:10.1038/s41377-020-00357-w 
Dans ce travail, Sikdar et al. a proposé des changements minimes au processus de fabrication pour réduire la perte de Fresnel à l'interface puce/encapsulant en utilisant un cône d'échappement de photons fixe pour augmenter la transmission de la lumière à travers la configuration. Pour y parvenir, ils ont placé une monocouche de nanoparticules métalliques (NP) inférieures à la longueur d'onde en tant que « méta-grille » au-dessus d'une puce LED conventionnelle dans l'emballage d'encapsulation habituel de la puce. L'amélioration résultante de la transmission de la lumière LED s'est produite à la suite d'une interférence destructive entre la lumière réfléchie par l'interface puce/époxy et la lumière réfléchie par la méta-grille NP. En réduisant la réflexion de l'interface puce/époxy, ils ont augmenté la durée de vie de la puce LED et minimisé la chaleur perdue.
Pour démontrer la transmission améliorée assistée par nanoparticules, ils ont utilisé des nanosphères d'argent comme puissants résonateurs plasmoniques, avec une perte d'absorption minimale. L'équipe a étudié les rôles du rayon NP, les espaces interparticulaires formés par les nanosphères lors de l'assemblage ascendant dans un réseau hexagonal bidimensionnel (2-D) et l'influence de la hauteur des nanoparticules (NP). Pour calculer la transmission lumineuse, Sikdar et al. utilisé un émetteur de lumière et un détecteur placés à l'intérieur de la puce et du milieu d'encapsulation, respectivement. Divers ensembles de réseaux NP ont fourni une amélioration maximale de la transmission de la lumière à travers différentes fenêtres spectrales et, par conséquent, la « méta-grille » a pu être optimisée pour chaque LED par rapport à sa gamme spectrale d'émission.
Obtention des paramètres pour une transmission optimale et sa dépendance à l'angle d'incidence. a–c Optimisation de la transmittance optique (T) à 625 nm pour une incidence normale via le réglage des paramètres du réseau NP. a Transmission maximale obtenue à chaque hauteur h (où T≥98,5%), et le rayon optimal (b) correspondant Ropt, et (c) l'écart entre les particules gopt. d–f Transmission à différents angles d'incidence admissibles pour la polarisation s (rouge), polarisé p (bleu), et lumière non polarisée (verte) pour les cas (1) à (3) [marqué en (a)] ; pour chaque polarisation, les courbes en pointillés montrent la transmission lumineuse sans le réseau NP. g Comparaison entre la transmittance pour la lumière non polarisée dans ces trois cas. La ligne pointillée, obtenu sans la matrice NP, sert de référence. Ici, AlGaInP (n1=3,49) est le matériau semi-conducteur et l'époxy (n2=1,58) est le matériau d'encapsulation. Crédit :Lumière :Science &Applications, doi:10.1038/s41377-020-00357-w 
L'équipe a ensuite maximisé la transmittance sur une plage spectrale spécifique en utilisant une structure optimisée de la méta-grille. Les scientifiques ont observé une transmission lumineuse améliorée avec la configuration, et a attribué le résultat à l'effet Fabry-Perot entre l'interface puce/encapsulant et la méta-grille NP. Le creux de transmission, également connu sous le nom de pic d'extinction, dépendait de la hauteur, écart, et d'autres paramètres des NP de méta-grille, et illustré la physique sous-jacente de l'appareil. Par conséquent, en faisant varier l'espace et la hauteur de la méta-grille des nanoparticules et le rayon des nanoparticules d'argent constitutives, les scientifiques ont influencé le creux de transmission ou le pic d'extinction lors de l'émission de LED.
Par ailleurs, la lumière réfléchie par l'interface puce/encapsulant interférait distinctement avec la lumière réfléchie par le réseau NP, pour réduire efficacement la réflexion de la configuration et augmenter la transmission grâce à l'amélioration de la transmission basée sur l'effet Fabry-Pérot. L'interface puce/encapsulant et la méta-grille NP ont agi comme deux surfaces réfléchissantes pour former la cavité entre elles. L'équipe a placé la méta-grille à la hauteur la plus proche possible de l'interface puce/encapsulant pour optimiser sa position et limiter toute fuite de rayonnement. Ils ont également montré comment les petites NP présentaient une meilleure transmittance à moyenne angulaire pour la lumière non polarisée.
Optimisation de la transmittance (sur une fenêtre spectrale de 580 à 700 nm en moyenne sur tous les angles incidents autorisés (en dessous de l'angle critique) et sa sensibilité aux paramètres de la méta-grille NP. a Points avec différentes couleurs de remplissage représentant l'écart par rapport à la transmittance maximale. (Tmax) pour une hauteur fixe de hopt = 33 nm mais divers rayon R et entrefer g, où ces deux paramètres sont supposés être plus grands/plus petits que leurs valeurs optimales jusqu'à 3 nm. Tmax (de 96,2%) est atteint à la hauteur optimale hopt = 33 nm, pour un rayon optimal de 13 nm et un écart de 13 nm [surligné en cyan]. b–g Identique à (a), mais pour des hauteurs différentes de (hopt − 1), (hopt + 1), (hopt − 2), (hopt + 2), (hopt − 3), (hopt + 3), respectivement. Noter que, pour les calculs la fenêtre spectrale entre 580 et 700 nm a été considérée au pas de 1 nm et les angles entre 0° et 26° ont été pris au pas de 1°. Ici, AlGaInP (n = 3,49) est le matériau semi-conducteur et l'époxy (n = 1,58) est le matériau d'encapsulation. Crédit :Lumière :Science &Applications, doi:10.1038/s41377-020-00357-w 
Les scientifiques ont obtenu une transmission améliorée en présence du méta-réseau optimisé, ce qui était significativement supérieur à celui obtenu sans NP dans la même gamme de longueurs d'onde. La transmittance maximale du système était sensible à toute imperfection dans le processus de fabrication. Ils ont réglé et ajusté avec précision la méta-grille de nanoparticules sur la puce LED pour des performances optimales. La méta-grille NP résultante a permis une augmentation de 96 pour cent de la transmission de la lumière (qui est autrement de 84 pour cent) de la couche émissive à la couche d'encapsulation.
De cette façon, Debrata Sikdar et ses collègues ont proposé un schéma pour améliorer considérablement l'extraction de la lumière des LED en augmentant la transmission à travers l'interface puce/encapsulant. Ils y sont parvenus en introduisant une monocouche de nanoparticules plasmoniques (NP) au-dessus de la puce LED pour réduire la perte de Fresnel et améliorer la transmission de la lumière provenant de l'effet Fabry-Perot. L'équipe propose de mettre en œuvre le système soit seul, soit en combinaison avec d'autres stratégies disponibles pour améliorer l'efficacité des LED.
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