日前，在《自然光子學(xué)》上發(fā)表的一篇論文中，加州大學(xué)圣巴巴拉分校的研究人員描述了一種推進(jìn)LED顯示和照明技術(shù)的方法，從VR耳機(jī)到汽車照明，各種LED設(shè)備都能夠變得更加精密和光滑。

加州大學(xué)圣巴巴拉分校電子和計(jì)算機(jī)工程教授Jonathan Schuller說(shuō)：“我們展示的是一種新型的光子結(jié)構(gòu)，它不僅能讓你提取更多的光子，還能將它們引向你想要的地方。”他解釋說(shuō)，外部封裝組件一般用于控制LED所發(fā)出的光，而我們改進(jìn)的性能是在不使用外部封裝組件的情況下實(shí)現(xiàn)的。

LED中的光線是在半導(dǎo)體材料中產(chǎn)生的，當(dāng)沿半導(dǎo)體晶格運(yùn)動(dòng)的帶負(fù)電荷的電子遇到帶正電荷的空穴（沒有電子），并轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰枯^低的狀態(tài)時(shí)，在此過(guò)程中會(huì)釋放一個(gè)光子。在他們的測(cè)量過(guò)程中，研究人員發(fā)現(xiàn)有相當(dāng)數(shù)量的光子正在產(chǎn)生，但都不是在LED中產(chǎn)生的。

“我們意識(shí)到，如果你在形成圖形之前觀察發(fā)射光子的角度分布，它往往會(huì)在一個(gè)特定的方向達(dá)到峰值，而這個(gè)方向通常會(huì)被困在LED結(jié)構(gòu)中，”Schuller說(shuō)。“所以我們意識(shí)到可以使用傳統(tǒng)的超表面概念來(lái)設(shè)計(jì)通常被困的光線。”

他們決定的設(shè)計(jì)包括在藍(lán)寶石基片上嵌入1．45微米長(zhǎng)的氮化鎵（GaN）納米棒陣列，其中嵌入了氮化銦鎵的量子陷，以限制電子和空穴從而發(fā)出光。除了允許更多的光離開半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，光的偏振在此過(guò)程產(chǎn)生，對(duì)很多應(yīng)用都有著非常重要的作用。

研究人員表示超表面本質(zhì)上是一個(gè)亞波長(zhǎng)天線陣列。而另一方面LED發(fā)出的則是自發(fā)光，而不是基于激光的受激相干光。光子陷自發(fā)發(fā)射會(huì)對(duì)所有可能的光子運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行采樣，所以光看起來(lái)就像一束向所有可能的方向運(yùn)動(dòng)的光子。問(wèn)題是在于他們能否通過(guò)仔細(xì)的納米級(jí)設(shè)計(jì)和半導(dǎo)體表面制造，將產(chǎn)生的光子引導(dǎo)到期望的方向。

氮化鎵非常難處理，需要專門的工藝來(lái)制造高質(zhì)量的晶體，最終該團(tuán)隊(duì)利用加州大學(xué)圣巴巴拉分校納米制造設(shè)備設(shè)計(jì)并制作了半導(dǎo)體表面，以適應(yīng)自發(fā)光發(fā)射的超表面概念。