螢火蟲讓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發(fā)光器結構，可以將LED的光提取效率提高50%以上。圖片：Nicolas Andr螢火蟲尾部忽明忽暗的光芒賜予了科學家靈感。

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

　　來自比利時、法國和加拿大的研究人員在光學會(OSA)期刊《光學快報》(Optics Express)上發(fā)表了兩篇文章，介紹了他們的仿生學研究成果。他們對螢火蟲尾部的發(fā)光器進行研究時，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。隨后科學家將其應用在了LED設計中，制作出了模仿螢火蟲發(fā)光器天然結構的LED覆蓋層。這種覆蓋層最高可提高55%的LED光提取效率，并且很容易應用到現(xiàn)有二極管設計中，為人類節(jié)約更多能源。

　　“這項研究告訴我們，認真觀察自然萬物可以讓我們學到許多，”安尼克·貝(Annick Bay)如是說。安尼克·貝是比利時那慕爾大學的在讀博士，她的研究方向是天然光子結構，包括甲殼蟲的鱗片和蝴蝶的翅膀。當她的導師讓·珀爾·維涅隆(Jean Pol Vigneron)在中美洲進行野外工作時，發(fā)現(xiàn)了多群螢火蟲，并把一些女巫螢屬(Photuris)螢火蟲樣本帶回了實驗室做進一步研究。

　　螢火蟲通過一種化學反應制造熒光。這個化學反應發(fā)生在一種特殊的發(fā)光細胞中。而熒光則從螢火蟲的一部分外骨骼——角質層——中發(fā)出。光在角質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)光器的亮度相對變暗。不過這些螢火蟲樣本角質層獨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，更容易被異性發(fā)現(xiàn)。

　　在《光學快報》的論文中，貝、維涅隆及其同事首次對這種發(fā)光器的復雜結構進行了描述，并解釋了這樣的結構將如何提升LED設計水平。在掃描電子顯微鏡的幫助下，研究人員發(fā)現(xiàn)了螢火蟲角質層上納米級的骨架，以及更大一些的鱗片。當研究人員利用計算機模擬這種結構影響光線傳播的過程時，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。隨后研究人員用實驗證實了這個結果，當他們從下方照射角質層時，這些邊緣的亮度最高。

　　工廠屋頂結構示意圖。圖片：locallocalhistory.co.uk

　　貝說，“這些邊緣結構有著工廠屋頂一樣的形狀。鱗片的末端向外突出，并有一個斜坡，就像是工廠的屋頂。“每隔10微米就有一個突出，其高度大約有3微米。最初我們認為更小的納米結構最為重要，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大家伙?！?/P>

　　像LED這樣的人造發(fā)光裝置同螢火蟲的發(fā)光器一樣，存在著內(nèi)反射的問題。貝和她的團隊認為一套像工廠屋頂一樣的覆蓋層可以讓LED更亮。他們在《光學快報》上發(fā)表的第二篇文章描述了在標準的氮化鎵LED上增加鋸齒狀覆蓋層的方法。加拿大舍布魯克大學的尼古拉斯?安德烈(Nicolas André)在標準氮化鎵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角質層中的速度更低，所以科學家調(diào)整了這些“鱗片”的大小，以便最大限度地提高光提取效率。“這項技術的好處在于過程簡單，也不必制造新的LED。只需要多幾個處理步驟我們便能給LED添加覆蓋層、用激光制模?！?/P>

　　其他的研究團隊也曾對螢火蟲發(fā)光器的光激結構進行研究，但是他們都把注意力放在了納米級結構上。貝領導的團隊是第一個發(fā)現(xiàn)微米級光激結構的。這種結構比可見光的波長要大，但其提高光提取效率的效果比更小的納米結構還要好，令人感到意外。研究人員測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，這種可以通過在現(xiàn)有制造技術中進行調(diào)整而實現(xiàn)的新穎設計，可能會在幾年之內(nèi)應用在LED生產(chǎn)中。

　　啟發(fā)了研究人員設計出這種新型高效LED覆蓋層的螢火蟲樣本屬于女巫螢屬，在拉丁美洲和美國很常見。貝說她和同事還將繼續(xù)探索自然界偉大的多樣性，需找知識和靈感的新源泉。“女巫螢屬的螢火蟲發(fā)光效率非常高，不過我非常肯定有其他種類的螢火蟲的發(fā)光效率會更高。我們的工作還沒有結束。”