Meer licht uit leds dankzij nanodeeltjes

Nederlandse onderzoekers hebben de lichtintensiteit van witte leds in bepaalde richtingen tot wel zestig keer vergroot. De natuurkundigen combineerden daarvoor de gebruikelijke fluorescerende laag in leds met een structuur van metalen nanodeeltjes, heel kleine deeltjes.
Een digitale opname van de emissie van, links, een led met de nieuwe technologie en rechts een gewone led.

De ontwikkeling van efficiënte led-lichtbronnen is de belangrijkste stap richting energiezuinige verlichting. Om een led (light emitting diode) wit licht te laten uitzenden, heb je eerst een efficiënte blauwe led nodig. Deze blauwe led belicht een laagje fluorescerend materiaal – het zogenoemde fosfor. De laag absorbeert een gedeelte van het blauwe licht, en zet dit om in licht van een andere kleur. Het licht dat het fosfor uitstraalt, combineert zich vervolgens met het niet-geabsorbeerde, nog blauwe deel van het licht, waardoor wit licht ontstaat.

De led zendt dit witte licht in alle richtingen uit. Om het licht toch te bundelen zijn lenzen of spiegels nodig. Dat vermindert de efficiëntie van de witte led. Bovendien zijn lenzen en spiegels duur.

De onderzoekers van AMOLF en Philips Research hebben hier een oplossing voor gevonden. Ze plaatsten het fosfor bovenop een rooster van aluminium nanodeeltjes. Deze nanodeeltjes ondersteunen resonanties van de vrije elektronen in het metaal die de fluorescentie van het fosfor mogelijk maken. De resonanties versterken elkaar en leiden zo tot een efficiëntere opname van het blauwe licht door het fosfor, en dus tot meer emissie van wit licht.

Door de afstand tussen de nanodeeltjes in het rooster te variëren, kunnen de onderzoekers bovendien de voorkeursrichting van het uitgestraalde licht sturen. De onderzoekers bereikten zo in sommige richtingen een versterking van de lichtemissie die wel zestig keer groter is dan bij een conventionele led.

Deze buitengewone versterking van de lichtintensiteit biedt nieuwe mogelijkheden voor efficiënte verlichting, waarbij metalen nanostructuren de lichtsterkte en de hoek van de lichtemissie bepalen.

De onderzoekers van het AMOLF-instituut van de Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie en Philips Research publiceren vandaag de resultaten van hun onderzoek in het nieuwe tijdschrift Light: Science & Applications van de Nature Publishing Group.