利用等离子体纳米天线阵列增强和调控LED发光性能研究

Rational design of LED structures for higher internal quantum efficiency and larger light extracting rate is the pursuit of scientific and industrial communities because that is the key to achieving high-efficiency and energy-saving LED. Surface Plasmons (SPs) are one of the efficient ways to raise the luminous efficiency of LED. For the reason of having both enhanced near-field and coherent radiation far-field, surface lattice resonances (SLRs) supported by the plasmonic nano antenna arrays have greater advantages in LED applications than general LSPR and SPP molds. SLRs are expected to increase both the light extraction efficiency and the internal quantum at the same time, leading to fully improvement of the luminous efficiency. This project is to explore the feasible approaches and physical mechanisms that using SLRs to realize simultaneous promotion of the light extraction efficiency and the internal quantum of LED based on the plasmonic nano ntenna arrays. The key factors to improve and control the light emitting of LED (intensity, direction and wavelength) through different mode of SLRs are to be revealed. This research will not only gain insights into the energy distribution and transfer in LED/metal Nano-structured composite systems, but also devote to developing research methods for SPs induced emitting enhancement of LED, which can provide scientific basis and direction for optimal designing of LED with high brightness and efficiency.

合理设计LED结构，提高其内量子效率和光提取率，是实现高效节能LED的关键，也是科学界和工业界追求的共同目标。表面等离激元（SPs）是提高LED发光效率的有效途径之一。金属纳米颗粒阵列支持的晶格振动模（SLRs）具有近场增强和辐射场空间相干特性，在LED应用方面比一般SPs模具有更大优势，有望实现LED内量子效率和光提取率的同时改善，获得发光效率的最大限度提升。本项目基于等离子体纳米天线阵列结构激发的SLRs模，从计算机模拟和理论计算两方面探索利用SLRs提高LED内量子效率和光提取率的物理机制和有效途径，揭示利用SLRs的不同模式改善和调控LED发光强度、方向以及波长的关键因素，加深对LED/金属纳米结构复合体系中能量分配与传递的认识和理解，发展表面等离激元增强LED发光的优化设计和理论计算方法，为设计制造高效定向LED发光器件提供可靠的理论依据和指导。

合理设计LED结构，提高其内量子效率和光提取率，是实现高效节能LED的关键，也是科学界和工业界追求的共同目标。本项目基于计算机模拟和理论计算，通过研究金属、电介质、金属/电介质纳米结构体系在电磁波激发下的特定共振模式及其伴随的近场和远场电磁性能，来探索利用这些纳米结构增强LED内量子效率和光提取率的可行途径与物理机制，并进行了一些初步的实验研究, 研究结果可为设计制造高效定向LED发光器件提供可靠的理论依据和指导。主要研究内容和成果包括：①理论证实利用硅纳米柱阵列与波导耦合体系的电磁诱导透明效应可以在实现远场透明窗口的同时获得显著增强的近场；②通过比较研究硅和铝纳米柱阵列在波导层结构激发的共振模式，证实硅纳米柱阵列引入LED颜色转换层诱导产生的电场增强效应明显优于金属等离子体纳米天线阵列，可显著提高颜色转换层内荧光分子的光致发光强度，有望实现具有更高内量子效率的颜色转换器；③研究了硅和银纳米天线阵列对波导层内荧光分子出射光的增强效应，理论证实硅纳米天线阵列可以显著提高LED荧光层内发光体的出光效率，是银纳米天线阵列的1.5倍，且优化硅纳米柱几何结构参数可以进一步改善和调控荧光层的光提取率；④基于米氏理论，系统研究了金属(M)-低介电(LP)-高介电(HP)纳米核壳结构的光散射性能，理论证实通过改变M-LP-HP核壳结构中LP层的厚度和折射率，内核厚度，外半径，或者HP层折射率, 能够在任意波长范围实现零背向散射和高前向散射。具有定向光散射性能的纳米核壳结构有望作为定向的光学纳米天线提高LED的出光效率；⑤实验证实将石墨烯-ZnO纳米柱复合结构用做GaN LED透明导电层可实现低工作电压和高光提取率。项目除了积极探索金属/电介质纳米结构调控电磁波，在改善LED发光效率方面的应用，还利用不同形状纳米结构实现了光吸收、电场增强、Fano共振、电磁诱导透明等电磁特性。研究结果共发表论文19篇，其中SCI收录15篇，授权国家发明专利1项。