纳米级3D打印模仿萤火虫发光表面来提高LED效率
宾夕法尼亚州立大学的科学家创造了一种新型的发光二极管（LED）灯泡，可以改变我们照亮家庭的方式。新型LED的设计模仿了萤火虫在自然界中使用的结构，可以在降低电费的同时提高效率。
“LED灯泡在清洁能源中起着关键作用。”电气工程教授Stuart Yin表示，“目前整体商用LED效率仅为50％左右。其中一个主要问题是如何提高所谓的LED光提取效率。我们的研究重点是如何从LED中获取光线。”
萤火虫和LED在释放它们产生的光时面临类似的问题，因为光可以向后反射并消失。LED的一种解决方案是用微观投影对表面进行纹理处理，称为微结构，允许更多光线逸出。虽然LED灯上的微结构是对称的，但萤火虫灯上的微结构却不对称。研究人员注意到萤火虫灯笼上的微结构是不对称的，两侧以不同的角度倾斜，呈现出不平衡的外观。
“我注意到萤火虫不仅在灯笼上有这些不对称的微结构，而且还发现一种发光的蟑螂在其发光点上也有类似的结构。”陈长江说，电气工程博士生和第一作者研究，“这是我试图深入研究使用不对称结构的光提取效率的地方。”
3D纳米打印不对称金字塔的扫描电子显微镜图像（图片来源：宾夕法尼亚州立大学）
研究团队发现，利用不对称金字塔创建微结构表面，可以将光提取效率提高到90％左右。
科学家们认为，不对称微观结构可以通过两种方式增加光提取。首先，不对称金字塔的较大表面积允许光与表面的较大相互作用，从而捕获较少的光。其次，金字塔上不同大小的斜坡增加了反射的随机化效果，并且给了光线第二次逃逸的机会。
对称金字塔的另一个扫描电子显微镜图像（图片来源：宾夕法尼亚州立大学）
为了通过实验证明这一点，研究人员使用纳米级3D打印来创建对称和不对称表面并测量发出的光量。正如预期的那样，不对称的表面使更多的光得以释放。
研究人员认为，有很大的空间可以进一步提高光提取效率，他们的方法可以很容易地应用于LED的商业制造。
比较从对称和不对称结构发出的光（图片来源：宾夕法尼亚州立大学）
研究人员已就此研究申请了专利。 “一旦我们获得专利，我们将考虑与该领域的制造商合作，将这项技术商业化。”Yin说。
由Stuart Yin教授监督的这项研究论文最近发表在《Optik》杂志上。