納米級(jí)3D打印有助于揭示螢火蟲秘密以提高LED效率

魔猴君  行業(yè)資訊   2062天前

賓夕法尼亞州立大學(xué)的科學(xué)家創(chuàng)造了一種新型的發(fā)光二極管（LED）燈泡，可以改變我們照亮家庭的方式。新型LED的設(shè)計(jì)模仿了螢火蟲在自然界中使用的結(jié)構(gòu)，可以在降低電費(fèi)的同時(shí)提高效率。

“LED燈泡在清潔能源中起著關(guān)鍵作用。”電氣工程教授Stuart（Shizhuo）Yin表示。 “目前整體商用LED效率僅為50％左右。其中一個(gè)主要問題是如何提高所謂的LED光提取效率。我們的研究重點(diǎn)是如何從LED中獲取光線。”螢火蟲和LED在釋放它們產(chǎn)生的光時(shí)面臨類似的問題，因?yàn)楣饪梢韵蚝蠓瓷洳G失。 LED的一種解決方案是用微觀投影對(duì)表面進(jìn)行紋理化，稱為微結(jié)構(gòu)，允許更多光線逃逸。雖然LED燈上的微結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的，但螢火蟲燈上的微結(jié)構(gòu)卻不對(duì)稱。研究人員注意到螢火蟲燈籠上的微結(jié)構(gòu)是不對(duì)稱的 ，兩側(cè)以不同的角度傾斜，呈現(xiàn)出不平衡的外觀。

“我注意到螢火蟲不僅在燈籠上有這些不對(duì)稱的微結(jié)構(gòu)，而且還發(fā)現(xiàn)一種發(fā)光的蟑螂在其發(fā)光點(diǎn)上也有類似的結(jié)構(gòu)，”陳長(zhǎng)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(duì)稱結(jié)構(gòu)的光提取效率的地方。”

掃描電子顯微鏡圖像的不對(duì)稱金字塔是納米3D打印的。圖片：PENN STATE

利用不對(duì)稱金字塔創(chuàng)建微結(jié)構(gòu)表面，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)它們可以將光提取效率提高到90％左右。科學(xué)家們認(rèn)為，不對(duì)稱微觀結(jié)構(gòu)可以通過兩種方式增加光提取。首先，不對(duì)稱金字塔的較大表面積允許光與表面的較大相互作用，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的隨機(jī)化效果，并且光有第二次逃逸的機(jī)會(huì)。

另一個(gè)掃描電子顯微鏡圖像的對(duì)稱金字塔。 （圖片來源：Penn State）

為了通過實(shí)驗(yàn)證明這一點(diǎn)，研究人員使用納米級(jí)3D打印來創(chuàng)建對(duì)稱和不對(duì)稱表面并測(cè)量發(fā)出的光量。正如所料，不對(duì)稱表面允許釋放更多光。研究人員認(rèn)為，有很大的空間可以進(jìn)一步提高光提取效率，他們的方法可以很容易地應(yīng)用于LED的商業(yè)制造。

     對(duì)稱和非對(duì)稱結(jié)構(gòu)發(fā)出的光比較。圖片：PENN STATE

研究人員已就此研究申請(qǐng)了專利。 “一旦我們獲得專利，我們正在考慮與該領(lǐng)域的制造商合作，將這項(xiàng)技術(shù)商業(yè)化，”Yin說。