近日，西安交通大学电子科学与工程学院先进光电所云峰教授团队实现了一种集成特殊设计的Ag纳米锥超表面和Al栅的GaN基蓝光LED，该双侧集成设计创造性地实现了表面等离激元激发与偏振选择功能的独立控制与协同优化，解决了线偏振LED中发光效率、偏振度与电学性能相互制约的难题，实现了偏振消光比和发光效率的同步提升，从而为显示、加密、光通信和医学领域中的下一代高效光电器件开辟了道路。该研究成果以“Highly efficient linearly polarized LED via surface plasmon integrated with Ag nanocone metasurface”为题发表于期刊《Applied Physics Letters》。该文章被编辑部遴选为期刊最佳论文（Featured Article）并在美国物理联合会《科学之光》（AIP Scilight）栏目以“Linearly polarized LED maximizes polarization degree and luminous efficiency”为题进行专访报道。论文第一作者为西安交通大学电子科学与工程学院博士生王旭正，田振寰副教授及云峰教授为论文共同通讯作者。
氮化物基发光二极管（LED）已成为显示、照明和通信领域的核心光电器件。其中，线偏振LED展现出巨大潜力，在新型显示、信息加密、光通信和生物医学检测等前沿领域开辟了全新的应用路径。当前，通过在LED表面集成偏振选择结构来提取横向磁（TM）模式，已成为实现线偏振发射的主要技术方案。然而，该偏振选择层会导致至少50%的效率损失。尽管采用单层金属光栅同步诱导等离激元-量子阱（SP-QW）耦合及偏振选择展现出高性能线偏振LED的潜力，然而其面临发光效率与偏振度难以兼顾的挑战，往往需要在偏振选择特性、SP-QW耦合效率及器件电学性能之间进行权衡，严重限制了线偏振LED的性能突破和大规模应用。
该论文提出并实现了一种双侧集成创新架构：在LED一侧引入Ag纳米锥超表面以突破SP-QW耦合的距离限制，优化耦合效率与电学性能；另一侧集成基于Al栅的偏振选择层，实现GaN基蓝光LED的线偏振发射。该设计创造性地实现了表面等离激元激发与偏振选择功能的独立控制与协同优化，成功突破了传统单层金属光栅的性能局限。所制备的线偏振LED在±60°的视角范围内平均偏振消光比达23.2 dB（较传统Ag反射器方案提升1.24倍），且发光效率实现2.5倍的显著提升。这一研究成果有效解决了等离激元增强型线偏振LED中发光效率、偏振度与电学性能相互制约的难题，突破了偏振发射光源的效率瓶颈，为应用于未来显示、信息加密、光通信及医学等领域的下一代高效光电器件开辟了道路。
图1. 集成银纳米锥超表面的高效线偏振LED。(a) 器件结构示意图。(b)结构内光子的运动轨迹和相互作用过程示意图。(c) TM模式电致发光强度。(d)偏振消光比。
论文链接：
https://doi.org/10.1063/5.0282759
AIP Scilight专访报道链接
https://doi.org/10.1063/10.0039115
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