Sử dụng một cấu trúc nano mới, các nhà nghiên cứu do Giáo sư kỹ thuật điện Stephen Chou dẫn dắt, đã tăng độ sáng và hiệu suất của đèn LED được làm bằng vật liệu hữu cơ (dựa trên cacbon mềm dẻo) lên 57%. Các nhà nghiên cứu cũng cho biết phương pháp của họ sẽ mang lại những cải tiến tương tự trong đèn LED được làm bằng vật liệu vô cơ (dựa trên silic) được sử dụng phổ biến nhất hiện nay.

Phương pháp này cũng giúp tăng độ rõ nét của màn hình LED lên 400% so với các phương pháp thông thường. Trong bài báo công bố trực tuyến trên tạp chí Advanced Functional Materials, các nhà nghiên cứu mô tả cách thức họ thực hiện điều này kỹ thuật thao tác ánh sáng trên quy mô nhỏ hơn so với một bước sóng đơn.

“Công nghệ nano mới có thể thay đổi cách chúng ta thao tác ánh sáng”, Chou, người đã nghiên cứu lĩnh vực này trong 30 năm, nói. “Chúng tôi có thể sử dụng kỹ thuật này để làm cho các thiết bị có hiệu suất cao chưa từng có”.

Đèn LED (light emitting diode- điôt phát sáng), là thiết bị điện tử phát ra ánh sáng khi dòng điện di chuyển qua hai cực. Đèn LED cung cấp nhiều lợi thế so với bóng đèn sợi đốt hay đèn huỳnh quang do chúng hiệu quả hơn nhiều, nhỏ gọn và có tuổi thọ cao hơn, tất cả những tính chất này đều rất quan trọng trong chế tạo màn hình cho các thiết bị di động.

Đèn LED hiện nay gặp những thách thức về thiết kế trong đó quan trọng nhất là giảm lượng ánh sáng bị mắc kẹt bên trong cấu trúc của đèn LED. Mặc dù được biết đến với hiệu suất cao nhưng chỉ có một lượng rất nhỏ ánh sáng được tạo ra bên trong đèn LED thực sự thoát ra ngoài.

“Đó chính là lý do vì sao đèn được lắp bên trong bể bơi có vẻ mờ khi nhìn từ bên ngoài vì nước giữ ánh sáng”, GS. Chou cho biết. “Cấu trúc rắn của đèn LED còn giữ nhiều ánh sáng hơn so với nước bể bơi”.

Trong thực tế, một đèn LED thô sơ phát ra chỉ có khoảng 2-4% ánh sáng nó tạo ra. Ánh sáng bị mắc kẹt không chỉ làm cho đèn LED mờ và năng lượng không hiệu quả, nó cũng làm cho chúng có tuổi thọ ngắn bởi vì ánh sáng bị mắc kẹt làm nóng đèn LED, do đó làm giảm đáng kể tuổi thọ của nó.

Để giải quyết vấn đề này, bằng cách bổ sung thêm các bộ phản xạ nhiệt bằng kim loại, ống kính hay các cấu trúc khác, các nhà nghiên cứu có thể tăng hiệu suất phát sáng của đèn LED. Đối với đèn LED hữu cơ cao cấp thông thường, các kỹ thuật này có thể làm tăng công suất khai thác ánh sáng lên khoảng 38% tuy nhiên chúng lại làm cho màn hình phản chiếu ánh sáng xung quanh, làm giảm độ tương phản và làm cho hình ảnh có vẻ lờ mờ.

Để loại bỏ sự phản chiếu của ánh sáng xung quanh, nhóm nghiên cứu bổ sung thêm các vật liệu hấp thụ ánh sáng cho màn hình. Tuy nhiên, Chou cho biết các vật liệu như vậy cũng hấp thụ ánh sáng từ đèn LED, làm giảm một nửa độ sáng và hiệu quả của nó.

Các giải pháp được nhóm nghiên cứu của Chou trình bày là sự phát minh ra một cấu trúc công nghệ nano được gọi là PlaCSH (plasmonic cavity with subwavelength hole-array). Các nhà nghiên cứu cho biết PlaCSH tăng hiệu quả khai thác ánh sáng đến 60%, cao hơn đèn LED hữu cơ cao cấp thông thường 57%. Đồng thời, các nhà nghiên cứu cho biết PlaCSH tăng độ tương phản lên 400%. Độ sáng cao hơn cũng làm giảm các vấn đề tỏa nhiệt do ánh sáng bị mắc kẹt trong các đèn LED tiêu chuẩn.

Chou cho biết PlaCSH có thể đạt được những kết quả này do các cấu trúc kim loại cỡ nanomet có khả năng thao tác ánh sáng theo cách mà vật liệu khối hay các cấu trúc nano phi kim loại không thể có được.

Đầu tiên, Chou sử dụng cấu trúc PlaCSH trên pin năng lượng mặt trời chuyển đổi ánh sáng thành điện năng. Trong một bài báo năm 2012, ông đã mô tả cách áp dụng PlaCSH dẫn đến việc hấp thu 96% ánh sáng chiếu vào bề mặt pin năng lượng mặt trời và làm tăng hiệu suất pin lên 175%. Chou nhận ra rằng một thiết bị hấp thụ ánh sáng từ bên ngoài tốt cũng có thể tỏa nhiều ánh sáng được tạo ra bên trong thiết bị - cung cấp một giải pháp hiệu quả cho cả khai thác ánh sáng và giảm phản xạ ánh sáng.

Cơ chế vật lý đằng sau PlaCSH rất phức tạp nhưng cấu trúc này tương đối đơn giản. PlaCSH có một lớp vật liệu phát sáng dày khoảng 100 nanomet được đặt bên trong một khoang có 1 bề mặt được làm bằng màng kim loại mỏng. Bề mặt khác của khoang được làm bằng lưới kim loại có kích thước vô cùng nhỏ chỉ dày 15 nanomet với mỗi dây kim loại rộng khoảng 20 nano mét và cách tâm của nhau 200 nanomet.

Do PlaCSH hoạt động bằng cách dẫn ánh sáng ra ngoài đèn LED, nó có thể tập trung nhiều ánh sáng hơn về phía người sử dụng. Hệ thống này cũng thay thế cho điện cực trong suốt thông thường dễ bị gãy, làm cho nó linh hoạt hơn nhiều so với hầu hết các màn hình hiện nay. “Nó linh hoạt và dễ uốn do đó có thể được dệt thành vải,” Chou nói.

Một lợi ích khác cho các nhà sản xuất là chi phí. Đèn LED hữu cơ PlaCSH được chế tạo bằng in nano, một công nghệ được Chou phát triển vào năm 1995, tạo ra các cấu trúc nano theo kiểu tương tự như một máy in in báo. “Nó rẻ và cực kỳ đơn giản,” Chou nói thêm.

Đại học Princeton đã nộp đơn đăng ký sáng chế cho cả đèn LED hữu cơ và vô cơ sử dụng PlaCSH. Chou và nhóm của ông hiện đang tiến hành các thí nghiệm để trình diễn PLaCSH trong đèn LED hữu cơ đỏ và xanh dương, ngoài các đèn LED xanh lá cây đang được sử dụng trong các thí nghiệm hiện nay. Họ cũng đang trình diễn hệ thống này trong đèn LED vô cơ.