發(fā)光二極管（LED）是現代住宅、工業(yè)和汽車(chē)照明等領(lǐng)域廣泛應用的理想照明光源，但是 LED 卻有種技術(shù)限制被稱(chēng)為 “光效下降” 效應。
  這種限制通俗來(lái)講，就是 LED 只在低電流 (僅幾十毫安) 下可以最有效地工作，而隨著(zhù)輸入電流的增大，發(fā)光效率反而會(huì )逐漸降低。這意味著(zhù)要維持照明效率，LED 必須在較低的電流下工作，且由于 LED“光效下降”效應，我們必須增大 LED 器件的面積，或在一個(gè)燈泡中增加更多的 LED，從而在不犧牲效率的同時(shí)增加亮度，這不僅限制了所有商用 LED 的性能提升，也將亞微米級 LED 和激光器的輸出功率限制為納瓦。
  不過(guò)，新的研究發(fā)現可能會(huì )從根本上改變這種情況。日前，由美國國家標準與技術(shù)研究所（NIST）牽頭的科研小組開(kāi)發(fā)了一種新型 LED 設計：“鰭式”LED（Fin LED），這種設計可以產(chǎn)生微瓦級的輸出功率，比現有的納米級 LED 和激光器高出約 1000 倍，可能是克服 LED 光源效率限制的關(guān)鍵一步。
  該研究小組還包括來(lái)自馬里蘭大學(xué)、倫斯勒理工學(xué)院和 IBM 托馬斯 ·J· 沃森研究中心的多位科學(xué)家，論文發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）雜志上，LED 亮度的大幅提高以及產(chǎn)生激光的能力等特性，都有望使該技術(shù)產(chǎn)生更多衍生價(jià)值。

  圖｜“鰭式”LED 像素設計包括發(fā)光的氧化鋅“鰭”（紫色）、隔離介電材料（綠色）和金屬觸點(diǎn)（黃色）（來(lái)源：NIST）

  NIST 負責構思 LED 新設計的專(zhuān)家巴巴克 · 尼古巴赫（Babak Nikoobakht）說(shuō)：“這是制造 LED 的全新架構，我們使用的材料與傳統 LED 相同，區別在于它們的形狀不同�！�
  LED 早在 1962 年就由美國通用電氣公司研究員尼克 · 何倫亞克（Nick Holonyak）發(fā)明，當初只有紅色。2014 年度，諾貝爾物理學(xué)獎授予了三名日本科學(xué)家（赤崎勇、天野浩和中村修二），以表彰他們發(fā)明了藍光 LED 技術(shù)，開(kāi)創(chuàng )了照明新時(shí)代。
  雖然有幾十年的技術(shù)發(fā)展史，但即使是現代的 LED 產(chǎn)品，其局限性也使它們的設計師們感到沮喪。在某種程度上，給一個(gè) LED 輸入更多的電能會(huì )使它發(fā)光更明亮，但是達到一個(gè)臨界點(diǎn)后，就會(huì )只剩工作溫度劇增，而亮度卻會(huì )大幅衰減，這使得 LED 的光效輸出一直難有突破，如果可以消除 LED 光效下降問(wèn)題，我們就可以簡(jiǎn)單地通過(guò)增加驅動(dòng)電流來(lái)使 LED 變得更亮。
  有意思的是，研究人員開(kāi)發(fā)的新設計，最初并不是為了著(zhù)手解決 “光效下降” 這個(gè)問(wèn)題，他們原打算制造一種微型 LED，用于非常小的應用，例如 NIST 正在研究的芯片實(shí)驗室技術(shù)。
  研究小組對 LED 發(fā)光部分進(jìn)行了全新的構建：與常規 LED 所采用的平面設計不同，他們使用長(cháng)而細的氧化鋅線(xiàn)束（稱(chēng)為鰭片）構建了光源，每個(gè)鰭的長(cháng)度僅約 5 微米，大約是人類(lèi)頭發(fā)平均寬度的十分之一，它們組成的鰭陣列看起來(lái)像一個(gè)微小的梳子，可以延伸到 1 厘米或更大的區域。

  圖｜鰭式 LED 像素和陣列光學(xué)圖像（來(lái)源：Science Advances）

  尼古巴赫說(shuō)：“我們看到了鰭片的機會(huì )，因為我認為鰭片的細長(cháng)形狀和較大的側面可以接收更多的電流。一開(kāi)始我們只是想測試一下新設計的‘極限’，我們開(kāi)始加大電流，想辦法把它開(kāi)到燒壞為止，但它總是越來(lái)越亮�！�
典型的面積小于平方微米的 LED 發(fā)光功率約為 22 納瓦，但這種新型 LED 最多可產(chǎn)生 20 微瓦，將發(fā)光功率最高提升近 1000 倍。這表明該設計克服了 LED 的光效下降障礙，從而使光源更明亮。
  “這是我見(jiàn)過(guò)的最有效的解決方案之一�！蹦峡�羅來(lái)納大學(xué)電氣工程教授格里戈里 · 西敏（Grigory Simin）評價(jià)說(shuō)，學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界多年來(lái)一直致力于提高 LED 的效率，而其他方法在應用于亞微米級的 LED 時(shí)通常會(huì )遇到技術(shù)問(wèn)題，這種方法卻做得很好�！�

  圖｜在高電流密度下，鰭式 LED 過(guò)渡到鰭式激光器（來(lái)源：Science Advances）

  當在實(shí)驗中不斷加大電流時(shí)，研究小組又有了一個(gè)驚人發(fā)現。雖然 LED 起初在一定波長(cháng)范圍內發(fā)光，但其最終會(huì )縮小為深紫色的兩個(gè)波長(cháng)，他們的微型 LED 竟然變成了一個(gè)微小的激光器，實(shí)驗記錄到的電流密度為 1000 kA/cm 2，LED 轉換為激光，亮度超過(guò) 20 微瓦。
  “將 LED 轉換成激光需要很大的努力。通常，需要將 LED 耦合到諧振腔，諧振腔才能使光線(xiàn)反彈以產(chǎn)生激光�！� 尼古巴赫說(shuō)�！暗�鰭式設計可以獨立完成全部工作�！蔽⑿图す馄鞯膽�用也非常多，不僅在化學(xué)傳感方面，而且在下一代手持式通信產(chǎn)品、高清顯示器和消毒方面也是如此。
  尼古巴赫認為：“這種全新 LED 設計作為重要的構建基塊具有很大的潛力�！� “雖然這不是人們制造的最小的激光器，但它是一個(gè)非常明亮的激光器，且不存在效率下降的問(wèn)題，將會(huì )大有用處�！�
  研究結論中指出，這項發(fā)現令人鼓舞，代表了 LED 設計體系結構的重要一步，可以克服 LED 中的 “電流密度下降” 和“溫度下降”效應，以最大化其每個(gè)像素可實(shí)現的輸出功率。