螢火蟲發光靈感與奈米等級3D列印，創造新款LED架構能擁有90%轉換效率

賓夕法尼亞州立大學(Pennsylvania State University)的科學家創造了一種新型的發光二極體（LED）燈泡，可以改變我們照亮家庭的方式。

在新型LED的設計中，模仿了螢火蟲在自然界中使用的結構，同時能降低電費與提高效率。



LED燈泡在綠能源中起著關鍵作用，但電氣工程教授Stuart（Shizhuo）Yin表示:目前市面上LED轉換效率僅50％左右，這個主要的問題該如何提高所謂的LED轉換效率。因此，我們的研究動機是如何從LED中獲取高效率/亮度。

螢火蟲和LED在釋放它們產生的光時面臨類似的問題，因為光可以向後反射並變弱，在LED的一種解決方案是用微觀投影對表面進行紋理化，稱為微結構，可允許更多光線集中。

雖然LED燈上的微結構是對稱的，但螢火蟲燈上的微結構卻不對稱。研究人員注意到螢火蟲燈籠上的微結構是不對稱的，兩側以不同的角度傾斜，呈現出不平衡的外觀。

Yin說，我注意到螢火蟲不僅在燈籠上有這些不對稱的微結構，而且還發現一種發光的蟑螂在其發光點上也有類似的結構。陳長江說:電氣工程博士生和第一作者研究，這是我試圖深入研究使用不對稱結構來增加光效率的地方。


↑電子顯微鏡圖像的不對稱金字塔是3D納米列印(圖片來源：PENN STATE)。


利用不對稱金字塔創建微結構表面，該團隊發現它們可以將光提取效率提高到90％左右。

科學家們認為，不對稱微觀結構能通過兩種方式增加光提取。首先，不對稱金字塔有較大表面積允許光和表面能有較大相互作用，從而捕獲較少的光。

其次，金字塔上不同大小的斜坡增加了反射隨機化效果，並且光有第二次散射的機會。


↑電子顯微鏡圖像下的對稱金字塔(圖片來源：PENN STATE)。


為了通過實驗證明這一點，研究人員使用納米級3D打印來創建對稱和不對稱表面並測量發出的光量。正如所料，不對稱表面允許釋放更多光。
研究人員認為，有很大的空間可以進一步提高光提取效率，他們的方法可以很容易地應用於LED的商業製造。


↑在對稱與非對稱結構之下發出的光(圖片來源：PENN STATE)。


研究人員表示已經針對此研究申請了專利，一旦我們獲得專利，我們正在考慮與該領域的製造商合作，將這項技術商業化。Yin說:參與該項目的其他研究人員是Jimmy Yao、 Wenbin Zhu、Chao-Hung Chao、Annan Shang和電氣工程Yun-Goo Lee博士生。


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