螢火蟲(chóng)讓LED更閃亮

　　涂有新型覆蓋層的氮化鎵LED。這種覆蓋層模擬了螢火蟲(chóng)發(fā)光器結(jié)構(gòu)，可以將LED的光提取效率提高50%以上。圖片：Nicolas Andr螢火蟲(chóng)尾部忽明忽暗的光芒賜予了科學(xué)家靈感。

最近，他們根據(jù)女巫螢火蟲(chóng)尾部發(fā)光器結(jié)構(gòu)，改進(jìn)了發(fā)光二極管(LED)，可使其效率提高50%以上。

　　來(lái)自比利時(shí)、法國(guó)和加拿大的研究人員在光學(xué)會(huì)(OSA)期刊《光學(xué)快報(bào)》(Optics Express)上發(fā)表了兩篇文章，介紹了他們的仿生學(xué)研究成果。他們對(duì)螢火蟲(chóng)尾部的發(fā)光器進(jìn)行研究時(shí)，意外地發(fā)現(xiàn)了一種鋸齒狀排列的鱗片，它可以提高發(fā)光器的亮度。隨后科學(xué)家將其應(yīng)用在了LED設(shè)計(jì)中，制作出了模仿螢火蟲(chóng)發(fā)光器天然結(jié)構(gòu)的LED覆蓋層。這種覆蓋層最高可提高55%的LED光提取效率，并且很容易應(yīng)用到現(xiàn)有二極管設(shè)計(jì)中，為人類節(jié)約更多能源。

　　“這項(xiàng)研究告訴我們，認(rèn)真觀察自然萬(wàn)物可以讓我們學(xué)到許多，”安尼克·貝(Annick Bay)如是說(shuō)。安尼克·貝是比利時(shí)那慕爾大學(xué)的在讀博士，她的研究方向是天然光子結(jié)構(gòu)，包括甲殼蟲(chóng)的鱗片和蝴蝶的翅膀。當(dāng)她的導(dǎo)師讓·珀?duì)枴ぞS涅隆(Jean Pol Vigneron)在中美洲進(jìn)行野外工作時(shí)，發(fā)現(xiàn)了多群螢火蟲(chóng)，并把一些女巫螢屬(Photuris)螢火蟲(chóng)樣本帶回了實(shí)驗(yàn)室做進(jìn)一步研究。

　　螢火蟲(chóng)通過(guò)一種化學(xué)反應(yīng)制造熒光。這個(gè)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在一種特殊的發(fā)光細(xì)胞中。而熒光則從螢火蟲(chóng)的一部分外骨骼——角質(zhì)層——中發(fā)出。光在角質(zhì)層中的傳播速度慢于在空氣中的傳播速度。光在這兩種不同介質(zhì)中的速度差意味著有一部分光線被反射回了發(fā)光器，這使發(fā)光器的亮度相對(duì)變暗。不過(guò)這些螢火蟲(chóng)樣本角質(zhì)層獨(dú)特的幾何表面可以最大程度地減小反射。這使它們發(fā)出的光線更強(qiáng)，更容易被異性發(fā)現(xiàn)。

　　在《光學(xué)快報(bào)》的論文中，貝、維涅隆及其同事首次對(duì)這種發(fā)光器的復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行了描述，并解釋了這樣的結(jié)構(gòu)將如何提升LED設(shè)計(jì)水平。在掃描電子顯微鏡的幫助下，研究人員發(fā)現(xiàn)了螢火蟲(chóng)角質(zhì)層上納米級(jí)的骨架，以及更大一些的鱗片。當(dāng)研究人員利用計(jì)算機(jī)模擬這種結(jié)構(gòu)影響光線傳播的過(guò)程時(shí)，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)光線都是從這些鋸齒狀鱗片的鋒利邊緣發(fā)出的。隨后研究人員用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這個(gè)結(jié)果，當(dāng)他們從下方照射角質(zhì)層時(shí)，這些邊緣的亮度最高。

　　工廠屋頂結(jié)構(gòu)示意圖。圖片：locallocalhistory.co.uk

　　貝說(shuō)，“這些邊緣結(jié)構(gòu)有著工廠屋頂一樣的形狀。鱗片的末端向外突出，并有一個(gè)斜坡，就像是工廠的屋頂?！懊扛?0微米就有一個(gè)突出，其高度大約有3微米。最初我們認(rèn)為更小的納米結(jié)構(gòu)最為重要，但最后我們驚訝地發(fā)現(xiàn)，能夠最有效提高光提取效率的正是這個(gè)大家伙?！?/P>

　　像LED這樣的人造發(fā)光裝置同螢火蟲(chóng)的發(fā)光器一樣，存在著內(nèi)反射的問(wèn)題。貝和她的團(tuán)隊(duì)認(rèn)為一套像工廠屋頂一樣的覆蓋層可以讓LED更亮。他們?cè)凇豆鈱W(xué)快報(bào)》上發(fā)表的第二篇文章描述了在標(biāo)準(zhǔn)的氮化鎵LED上增加鋸齒狀覆蓋層的方法。加拿大舍布魯克大學(xué)的尼古拉斯?安德烈(Nicolas André)在標(biāo)準(zhǔn)氮化鎵LED上涂了一層光敏材料，然后用激光照射截面制作出了類似工廠屋頂?shù)娜切泵?。由于光在LED中的傳播速度比在螢火蟲(chóng)角質(zhì)層中的速度更低，所以科學(xué)家調(diào)整了這些“鱗片”的大小，以便最大限度地提高光提取效率?！斑@項(xiàng)技術(shù)的好處在于過(guò)程簡(jiǎn)單，也不必制造新的LED。只需要多幾個(gè)處理步驟我們便能給LED添加覆蓋層、用激光制模?！?/P>

　　其他的研究團(tuán)隊(duì)也曾對(duì)螢火蟲(chóng)發(fā)光器的光激結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，但是他們都把注意力放在了納米級(jí)結(jié)構(gòu)上。貝領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)是第一個(gè)發(fā)現(xiàn)微米級(jí)光激結(jié)構(gòu)的。這種結(jié)構(gòu)比可見(jiàn)光的波長(zhǎng)要大，但其提高光提取效率的效果比更小的納米結(jié)構(gòu)還要好，令人感到意外。研究人員測(cè)試了這種工廠屋頂狀的覆蓋層，發(fā)現(xiàn)它可以將光提取效率提高50%以上。研究人員估計(jì)，這種可以通過(guò)在現(xiàn)有制造技術(shù)中進(jìn)行調(diào)整而實(shí)現(xiàn)的新穎設(shè)計(jì)，可能會(huì)在幾年之內(nèi)應(yīng)用在LED生產(chǎn)中。

　　啟發(fā)了研究人員設(shè)計(jì)出這種新型高效LED覆蓋層的螢火蟲(chóng)樣本屬于女巫螢屬，在拉丁美洲和美國(guó)很常見(jiàn)。貝說(shuō)她和同事還將繼續(xù)探索自然界偉大的多樣性，需找知識(shí)和靈感的新源泉?！芭孜瀸俚奈灮鹣x(chóng)發(fā)光效率非常高，不過(guò)我非?？隙ㄓ衅渌N類的螢火蟲(chóng)的發(fā)光效率會(huì)更高。我們的工作還沒(méi)有結(jié)束?！?/P>