撰稿 | 周倩苇
照明占全球电力消耗的15%和全球温室气体排放的5%。因此，实现节能光源对于全球发展的可持续性至关重要。凭借其紧凑的尺寸、高效率和长寿命，LED已发展成为替代传统光源（如白炽灯泡和荧光灯管）的主要候选者。然而，由于成本高昂，在世界大部分地区，现有照明装置中只有不到10%使用LED产品。由于人口增长和城市化进程的加快，预计到2030年照明需求将增长50%。因此，在降低成本的同时提高LED 光源的效率成为科学和工程界面临的紧迫挑战。
通过过去几十年的大量努力，LED材料质量取得了显著进步，尤其是III族氮化物和有机材料，其内量子效率已接近理论极限。然而，相当一部分产生的光子由于全内反射被限制在LED的高折射材料内，使得耦合效率成为整体效率和节能的瓶颈。已经开发出从高度受限的波导模式中提取光的方法，包括在顶面或基板上制造电介质/金属纳米结构、图案化电极和主体内部的波纹。尽管与非结构化器件相比，据报道输出功率提高了两倍以上，但光提取结构总是需要复杂且耗时的制造工艺，包括模板制造、光刻（通过光学或电子束）或纳米压印。从实用的角度来看，该结构增加的制造成本可能超过提高外量子效率的好处，阻碍了它们实际应用。
已提出LED基板的无光刻结构以简化制造和集成。然而，仍然需要多步骤的过程。并且纳米结构通常在有源区域下方制造，这使得设备容易因高度局部化的电场或短路而发生电路故障。同时，免光刻解决方案通常与主流III-V固态技术不兼容。为此，可应用于商业化LED系统的经济高效的解决方案仍然未实现。
在这里，科学家们从萤火虫中汲取灵感，提出对超表面结构进行逐步优化，见图1。
图1 用于光提取的无序超表面的进化启发设计。
基于在非结构化GaN LED顶部由无序银纳米粒子(NP)组成的超表面IV，将光致发光测量中已制备的商业化GaN-LED器件的输出功率提高1.7倍。使用半球形环氧树脂封装后，外量子效率(EQE)显著提高(从31%到51%)，见图2。最重要的是，此项工作通过基于气相簇束沉积的单一程序实现了这个光提取层，大大降低了制造成本和时间。结合大面积制造的可扩展性，这种具有成本效益的无序超表面代表了一种有前途的方法，有望弥合照明市场中高效实验室演示和工业生产之间的差距。
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