TWI651873B - 基於非輻射式能量轉移之固態照明裝置 - Google Patents

基於非輻射式能量轉移之固態照明裝置 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種照明裝置,其包括:一波長轉換層,其包括經組態以吸收能量以達到一經激發狀態之一光子發射施體,以及一光子發射受體;一能量源,其經組態以提供能量至該施體,使得該施體達到該經激發狀態;其中該施體及該受體經選擇且經配置於距彼此一定距離處,使得發生激發能量自該施體至該受體的非輻射式轉移,且其中該受體經組態以在該能量轉移之後發射一第二波長下之一光子;該照明裝置進一步包括經配置於基板上且嵌入於該波長轉換層內且包括經配置於一天線陣列平面中之複數個個別天線元件之一週期性電漿子天線陣列,該電漿子天線陣列經組態以支援由該等個別天線元件中之局域化表面電漿子共振至由包括該電漿子天線陣列及該波長轉換層之系統支援之光子模式之耦合所引起之該第二波長下之一第一晶格共振,其中該電漿子天線陣列經組態以包括電漿子共振模式,使得自該電漿子天線陣列發射之光具有一各向異性角度分佈。

Description

基於非輻射式能量轉移之固態照明裝置
本發明係關於一種照明裝置。特定而言,本發明係關於一種具有經改良發射性質之照明裝置。
針對在光照應用中使用之發光二極體(LED),提供具有大約相當於由白熾燈光照產生之色溫之一色溫之基本上白色光係合意的。
通常藉由使用具有約450nm之一波長之一pn二極體發射之藍色光來提供來自LED之白色光,其中使用配置於二極體之頂部上、二極體之附近或在距二極體一定距離處之一或多個波長轉換材料將藍色光之部分轉換為較長波長。藉由組合經轉換光與未經吸收藍色光,可獲得經感知為白色光之一合理寬頻光譜。
當前,在大多數商業應用中,波長轉換材料直接應用於LED上。此外,波長轉換材料應為散射的,以便獲得色彩關於角度之一低變化。此意指藍色光亦將散射回至二極體中,此導致LED中之吸收損失。此外,波長轉換材料(通常為磷光體)之主動組件係一各向同性發射體,此意指在所有方向上發射相同量之波長轉換之光。此導致進一步損失,此乃因僅光之一部分穿過發光裝置之輸出表面逃逸。
舉例而言,已藉由使用散射較少以減少由二極體反向散射並吸收之藍色光之量之一磷光體來解決減少損失之問題。然而,保持自磷 光體之各向同性發射。
亦可藉由引入其中可修改發射方向之一光子帶隙材料來增加離開發光裝置之光之量。然而,為能夠控制發射方向,一光子帶隙材料需要由具有一高折射率對比度之材料製成,必須圖案化並形成高縱橫比電洞或柱,大小控制極為嚴格且材料必須係發光的,此將招致散射損失。此外,一光子帶隙材料僅在垂直於材料之表面之平面中(亦即,在平行於電洞或柱之一方向上)真正有效。
因此,用於增加一發光裝置之發射效率之所建議方法具有難以克服之內在缺點。
鑒於一發光裝置之上文所提及之所要性質,以及先前技術之上文所提及之缺點及其他缺點,本發明之一目標係提供一種經改良發光裝置。
根據本發明之一第一態樣,提供一種照明裝置,其包括:一波長轉換層,其包括經組態以吸收能量以達到一經激發狀態之一光子發射施體,以及一光子發射受體;一能量源,其經組態以提供能量至該施體使得該施體達到該經激發狀態;其中該施體及該受體經選擇且經配置於距彼此一定距離處,使得發生激發能量自該施體至該受體之非輻射式轉移,且其中該受體經組態以在該能量轉移之後發射一第二波長下之一光子;該照明裝置進一步包括嵌入於該波長轉換層內且包括配置於一天線陣列平面中之複數個個別天線元件之一週期性電漿子天線陣列,該電漿子天線陣列經組態以支援由該等個別天線元件中之局域化表面電漿子共振至由包括該電漿子天線陣列及該波長轉換層之系統支援之光子模式之耦合引起的該第二波長下之一第一晶格共振,其中該電漿子天線陣列經組態以包括電漿子共振模式,使得自該電漿子天線陣列發射之光具有一各向異性角度分佈。
電漿子場係指小傳導結構(通常為金屬結構)與光之相互作用,藉此金屬結構之大小類似於光之波長。金屬中之傳導電子回應於一外部電場且電子雲在驅動光學頻率下振盪,從而留下拉回電子之一帶較多正電區。由於金屬結構之大小較小,因此共振可達到可見光之頻率。因此,一金屬結構可具有允許與入射於金屬粒子上之任何光或緊密靠近金屬粒子而產生之任何光之一強烈相互作用之一大散射剖面。
已發現,規則陣列展現發射之方向性之強烈增強,此歸因於混合耦合之局域化表面電漿子共振(LSPR)與光子模式,亦稱為混合晶格電漿子光子模式或電漿子-光子晶格共振。發射之方向性增強在本文中稱為各向異性發射,亦即,非郎伯發射。
光學天線之有序陣列支援集體共振。當輻射之波長大約為陣列之週期性時,一繞射階可在陣列之平面中輻射。以此方式,由個別粒子維持之局域化表面電漿子電磁極化子可經由繞射而耦合,從而導致稱為表面晶格共振(SLR)之集體晶格誘發之混合光子-電漿子共振。此等非局域化模式遍佈數個單位單元,使得可獲得自分佈於大體積上方之發射體之發射的一集體增強(如固態光照中所需要)。
此處,使用表現為集體奈米天線之週期性奈米粒子陣列。此等陣列維持集體電漿子共振。一方面,金屬奈米粒子具有允許波長轉換材料中之磷光體之共振激發之大散射剖面,藉此增強光之轉換。另一方面,集體電漿子共振使得能夠將發射之角度圖案塑形,從而在一特定波長範圍下在一經界定方向上將大多數光照射至一極窄角度範圍中。因此,將方向性增強解釋為波長轉換介質之激發之一經增加效率與磷光體之發射至陣列中之經延伸電漿子-光子模式之輸出耦合效率及至自由空間輻射之後續輸出耦合之一增強的組合。
週期性電漿子天線陣列可(舉例而言)形成於一基板上,此後在一最終裝置中,週期性電漿子天線陣列可或可不配置於基板上。包括天 線陣列之波長轉換層可(舉例而言)獨立地提供,或其可配置於一適合能量源上。
可在WO2012/098487中及未公開之歐洲專利申請案EP13179374中找到對電漿子天線陣列之功能及組態之一更詳細說明。
本發明係基於以下認識:一各向異性光分佈可藉由組態一電漿子天線陣列使得其支援共振模式且將一光子發射體緊密靠近天線陣列配置而達成。
在包括波長轉換粒子(例如,磷光體)之一裝置中,已發現,可藉由增加波長轉換層之消光係數來在很大程度上改良一基於電漿子之波長轉換層之整體量子效率。可(舉例而言)藉由增加波長轉換材料(其通常可稱為磷光體)之濃度來增加消光係數。然而,存在對在磷光體之內部量子效率由於淬滅而開始下降(此又降低裝置之整體量子效率)之前可使磷光體之濃度增加的量之一限制。
鑒於此,發明人已進一步認識到,可藉由以一施體及一受體之形式提供一波長轉換系統而增加裝置之整體量子效率,其中發生自施體至受體之非輻射式能量轉移且其中隨後由受體發射一光子。藉此,由受體發射之第二波長之光子由包括受體及天線陣列之經耦合系統發射。
自一外部能量源提供能量至施體以致使施體達到一經激發狀態,此在下文中詳細論述。
由施體吸收之能量之大部分可轉移至受體且因此,由受體判定施體-受體系統之發射光譜。消光係數由於吸收體之數目之增加而大大增加。此經組合系統之量子效率仍係高的,此乃因非輻射式能量轉移程序之效率係極高的且未誘發施體及受體之濃度淬滅。非輻射式能量轉移程序稱為弗爾斯特(Förster)共振能量轉移(FRET),其係闡述一施體與一受體之間的能量轉移之一機制。FRET係基於經由非輻射式 偶極間耦合之能量轉移,且轉移之效率和施體與受體之間的距離成反比。
在本發明內容脈絡中,一施體/受體應被理解為任何原子、分子、粒子或結構,其能夠透過能量之添加而提高能量達到一經激發狀態,且其中可透過一光子之發射而發生至一較低能量狀態中之緩解。 施體及受體亦可稱為光子發射體或更一般而言稱為發射體。因此,儘管施體可能夠發射一光子,但施體藉助於施體/受體配置替代地將能量轉移至繼而發射一光子之受體。由於由照明裝置發射之光的合意波長對應於由受體發射之第二波長,因此在施體與受體之間具有一高轉移效率以抑制光子(其具有一較短波長)自施體之發射係合意的。
根據本發明之一項實施例,受體可有利地具有對應於該第二波長之一第一能階及高於該第一能階之一第二能階,且施體可具有匹配受體之第二能階之一能階。施體的能階匹配受體的能階大體而言意指該等能階係實質上相同的。然而,若存在與受體之第二能階重疊使得可發生非輻射式能量轉移之施體能階之一寬共振,則該等能階亦可匹配。該等能階在本文中係相對於一共同參考能階E0而定義,且此等能階因此係相對能階。因此,可理解,並非材料之絕對能階匹配,而是第一及第二能階相對於施體或受體之「基態」的能量差匹配。因此,各別第一及第二能階應被理解為與參考能階E0相比之各別能量差。
施體經組態以在吸收對應於施體中之能階的能量時達到一經激發狀態。在一半導體中,能階通常對應於帶隙,且自價帶激發一電子至導帶所需要的能量至少等於帶隙。在一實施例中,受體具有對應於將由照明裝置發射之光之波長之一第一能階及第一能階上方(亦即,一半導體受體之導帶上方)之一第二能階。藉此,非輻射式能量轉移可在具有對應於施體之帶隙之一能量之經激發施體與受體的第二能階之間發生。在已發生能量轉移之後,經激發受體可在發生自導帶至價 帶之輻射式重新結合之前緩解低至第一能階,使得發射一光子。相同推理在施體及受體係有機半導體之情況下適用,其中價帶稱為最高佔用分子軌域(HOMO),且導帶對應於最低未佔用分子軌域(LUMO),且帶隙稱為HOMO-LUMO間隙。原則上,為使FRET發生,施體之發射光譜必須與受體之吸收光譜重疊。
在本發明之一項實施例中,施體濃度及受體濃度有利地經選擇使得激發能量自施體至受體之非輻射式轉移具有高於0.9之一效率。 自照明裝置發射之儘可能多的光具有對應於由受體發射之光子之波長之一波長係合意的,該光繼而耦合至電漿子天線陣列以達成所要波長之光的各向異性發射。因此,非輻射式能量轉移之一高效率意指自施體之輻射式重新結合被抑制。一般而言,非輻射式轉移之效率取決於施體與受體之間的平均距離,該平均距離又係針對一給定施體/受體組合之波長轉換層中之施體及受體濃度之一函數。在高於0.9且在一實施例中高於0.95之一效率之情形中,將可偵測到極少施體發射或不可偵測到施體發射,且發射光譜的形狀將完全類似受體之發射光譜的形狀。
根據本發明之一項實施例,一施體濃度與一受體濃度之間的一比率係至少1:1。該比率可(舉例而言)在1:1至5:1之範圍中。最佳施體/受體比率部分地由受體濃度判定,該受體濃度不應太高,此乃因當受體彼此太接近時,受體量子效率之淬滅可降低整體系統效率。相對於受體濃度增加施體濃度增強波長轉換層中之吸收。然而,最大施體/受體比率可受限制,此乃因若施體開始彼此太接近,則可為不利的。 為判定一最佳比率,必須亦將受體經激發狀態之壽命及用於非輻射式轉移之時間考量在內。一般而言,當一施體被激發且準備好轉移能量時,必須存在處於基態中之準備好接收能量之一可用受體。
在本發明之一項實施例中,施體及受體可有利地係選自包括以 下各項之群組之點發射體:稀土離子、染料分子及量子點。原則上,其中激發可導致一光子之發射之任何點發射體可用於本發明內容脈絡中,且可基於現有應用之合意波長及材料性質來選擇點發射體。
根據本發明之一項實施例,施體可有利地係發射具有自500nm至580nm之波長之綠色/黃色光之一染料分子或量子點。此外,受體可有利地係發射具有自580nm至630nm之波長之紅色光之一染料分子或量子點。可基於FRET、藉由組合兩個高度高效耦合之染料達成一高消光係數。兩個染料係吸收藍色光且發射綠色光之一綠色染料及吸收藍色及綠色光且發射紅色光之一紅色染料。由於綠色染料之發射光譜與紅色染料之吸收光譜之重疊,因此可在綠色染料分子及紅色染料分子在相同波長轉換層中混合時發生自綠色染料分子至紅色染料分子之一強烈FRET。由綠色染料分子吸收之能量之大部分可轉移至紅色染料分子且因此,兩個染料之經組合系統之發射光譜由紅色染料判定。消光係數由於吸收體之數目之增加而大大增加。此經組合系統之量子效率仍係高的(接近於1),此乃因FRET效率係極高的且未誘發綠色及紅色染料之淬滅。
根據本發明之一項實施例,施體及/或受體可有利地係一種二萘嵌苯染料分子。基於二萘嵌苯之染料分子在用於發光二極體之波長轉換之領域中係已知的,且已發現,兩個不同基於二萘嵌苯之染料分子之一組合提供一高FRET效率及一高消光係數。亦可使用其他類型之染料,諸如基於CdSe、ZnSe、InP QD及諸如此類之染料。
在本發明之一項實施例中,施體及受體濃度有利地經選擇使得包括電漿子天線陣列之波長轉換層之消光係數及量子效率高於僅包括施體及受體中之一者以及一類似整體消光之一波長轉換層之消光係數及量子效率。耦合至一電漿子天線陣列之一波長轉換層之消光係數及量子效率由波長轉換粒子之濃度判定。然而,作為一個一般原則,量 子效率隨著消光係數由於淬滅(其係由於波長轉換粒子之增加之濃度)增加而降低。因此,達成經耦合施體-受體系統之有利效應而不引入與波長轉換粒子之一太高濃度相關之缺點係合意的。
根據本發明之一項實施例,照明裝置可進一步包括經組態以提供能量至施體使得施體達到經激發狀態之一能量源。提供至施體之能量必須等於或高於通常對應於帶隙或HOMO-LUMO間隙之施體之能階。施體亦可包括高於第一能階之額外能階,使得施體可更容易地吸收大於帶隙之能量。原則上,任何外部能量源(諸如具有充分高能量(亦即,高於第一能階)之一光子或電子、x射線或伽馬輻射、熱、電子-電洞對注入等)可用以激發點發射體。
此外,能量源可(舉例而言)為一光子發射體、一電子發射體、一x射線發射體、一伽馬射線發射體或一電子-電洞對。電子可(舉例而言)由一陰極射線管(CRT)發射,x射線/伽馬射線可(舉例而言)自一真空管、伽馬射線(CT)提供。
在本發明之一項實施例中,光子發射體可有利地係一發光二極體或一固態雷射。通常使用基於半導體之光子發射體且可容易地將其與上文所提及照明裝置整合在一起。
根據本發明之一項實施例,電漿子天線陣列可有利地經組態以包括平面外不對稱之電漿子共振模式。藉由組態電漿子天線陣列以提供光之一不對稱發射,由天線陣列發射之更多光可朝向照明裝置之發射表面經發射。此導致照明裝置之一經增加整體效率,此乃因所產生光之一較大部分自裝置之選定發光表面經發射。照明裝置可經組態以使得光主要穿過基板或自波長轉換層遠離基板經發射。平面外不對稱電漿子共振模式可(舉例而言)藉由使天線元件不對稱(舉例而言,具有一角錐、一截頭角錐、一圓錐或一截頭圓錐之形狀)而達成。藉此,每一天線元件之所得共振模式變得不對稱,此又導致不對稱光發射性 質。天線元件之不對稱形狀係指此一元件在平行於天線元件之縱向軸之一平面中之一剖面(亦即,在一「站立」天線元件之一垂直平面中之剖面)之不對稱性。
天線元件之漸縮對於發射之不對稱性係重要的。特定而言,不對稱性係基於天線元件中之電共振及磁共振之同時激發。如下文將進一步解釋,主要係藉由破缺對稱性而增強的磁回應及磁電(經交叉耦合)回應。磁回應係天線元件對入射光之磁場的回應,而磁電回應係指藉由入射磁場之電場的激發,且反之亦然。
自電動力學已知經耦合至一單個磁偶極之一單個電偶極可取決於偶極之相對相位而裁適向前/向後散射比率。通常,大多數材料在光學頻率下不具有一磁回應,因此針對光難以發現該效應。然而,金屬奈米結構可經設計以維持相當於其電激發之強度的磁激發。此外,此兩個不同激發可交叉耦合,從而導致一磁電回應。
增加天線元件之漸縮(其中漸縮係指基座處之直徑或側對頂部處之直徑或側之比率),則增加磁回應及磁電回應兩者。因此,藉由增加漸縮,兩個回應增加且可設計展現一經增加不對稱性之一天線陣列。亦應注意,自此等結構之發射之不對稱性依賴於此等結構具有類似振幅之電激發及磁激發。
根據本發明之一項實施例,天線陣列可有利地包括具有在110nm至130nm之範圍中之一頂部側、在135nm至155nm之範圍中之一底部側及在140nm至160nm之範圍中之一高度之複數個截頭角錐形天線元件,且其中該等天線元件係配置於具有約400nm之一晶格常數之一正方形陣列中。該等側稱為一矩形或正方形或三角形之側。一般而言,參考前述大小範圍,與朝向可見光譜之紅色端共振之較大天線元件相比,基於較小天線元件之陣列朝向可見光譜之藍色端共振。天線元件之總大小對於局域化電漿子共振係重要的。基座及頂部支援局域化模 式,其中頂部及底部之大小之一差展寬天線之經組合局域化共振。針對一截頭天線元件之頂部及底部存在不同共振,且頂部及底部共振可彼此耦合。然後,天線元件之高度將引入一相位延遲且管控共振之耦合,藉此判定發射的不對稱性係部分地由於延滯,而該延滯則係部分地由於電及磁共振。
當研究隨附申請專利範圍及以下說明時,本發明之其他特徵及 優點將變得顯而易見。熟習此項技術者應認識到,本發明之不同特徵可經組合以在不背離本發明之範疇之情況下形成除下文中所闡述之彼等實施例以外之實施例。
100‧‧‧照明裝置
102‧‧‧外部能量源/能量源/光源
104‧‧‧波長轉換層
108‧‧‧天線元件
110‧‧‧光
112‧‧‧有限角度範圍
114‧‧‧施體
116‧‧‧受體
302‧‧‧緩解
304‧‧‧緩解
400‧‧‧截頭角錐形天線元件
402‧‧‧底部側
404‧‧‧頂部側
406‧‧‧高度
E0‧‧‧共同參考能階/參考能階
EA1‧‧‧較低能階/第一能階
EA2‧‧‧能階/第二能階
ED‧‧‧第一能階/能量/導帶能階/能階
EE‧‧‧能量
EGA‧‧‧受體之帶隙
EGD‧‧‧施體帶隙/帶隙
λ1‧‧‧第一波長/波長
λ2‧‧‧第二波長/波長
r‧‧‧距離/間距
現在將參考展示本發明之實施例之隨附圖式來更詳細地闡述本發明之此態樣及其他態樣。
圖1示意性地圖解說明根據本發明之一實施例之一照明裝置;圖2示意性地圖解說明根據本發明之一實施例之一照明裝置;圖3示意性地圖解說明根據本發明之一實施例之一照明裝置中之光子發射體之一能帶圖;且圖4示意性地圖解說明根據本發明之一實施例之一照明裝置之一天線元件。
下文現將參考其中展示本發明之例示性實施例之隨附圖式更全面地闡述本發明。然而,本發明可以諸多不同形式體現且不應被視為限於本文中所陳述之實施例;而是,此等實施例係為透徹及完整起見而提供且將本發明之範疇完全傳達給熟習此項技術者。遍及圖式,相似元件符號指代相似元件。
圖1係包括一波長轉換層104之一照明裝置100之一示意性圖解說明,波長轉換層104包括緊密靠近一週期性電漿子天線陣列配置之複 數個施體114及受體116粒子,該週期性電漿子天線陣列包括配置於定義為天線元件之基座之平面之一天線陣列平面中之複數個個別天線元件108。施體114及受體116亦可稱為螢光材料、光子發射體、發射體、磷光體或染料。施體114及受體116可(舉例而言)為稀土離子、染料分子、量子點或其一組合。
用於激發施體之外部能量源102可(舉例而言)為一光子發射體,諸如一發光二極體或一雷射。即使能量源102之主要目的係用以激發施體114,在某些情形中,亦激發受體114係不可避免的。原則上,任何外部能量源(諸如具有充分高能量之一電子、x射線或伽馬輻射、熱、電子-電洞對注入等)可用以激發施體。可(舉例而言)由一陰極射線管(CRT)發射電子,可(舉例而言)自一真空管、伽馬射線(CT)提供x射線/伽馬射線。為簡單起見,且為解釋使用光子來刺激施體之一般概念,能量源將自此以後稱為一光源102。本文中,將光源102圖解說明為配置於距波長轉換層且距照明裝置之其餘部分一定距離處之一單獨配置之發光裝置,諸如一發光二極體或一雷射。然而,光源102可同樣很好地整合(諸如)於形成於一半導體基板中之一半導體發光二極體中,其中天線陣列及波長轉換層形成於基板之頂部上。
圖1進一步圖解說明施體114配置於毗鄰於光源102之波長轉換層104中以自能量源102接收能量,使得施體114可吸收能量且達到一經激發狀態。
圖1之經放大部分圖解說明一施體114與一受體116分開一距離r。 自施體至受體之非輻射式能量轉移之效率與距離r成反比。
圖2進一步圖解說明包括配置於一天線陣列平面中之複數個個別天線元件108之一週期性電漿子天線陣列。天線陣列配置於波長轉換層104內。此外,天線陣列經組態以支援由個別天線元件中之局域化表面電漿子共振之繞射耦合引起的對應於由受體116發射之光之波長 之第二波長下之晶格共振。在圖1及圖2中進一步圖解說明如何在一有限角度範圍112內自照明裝置100之一發光表面發射光110,亦即,經發射光之一各向異性分佈。
圖3係施體114及受體116之能帶圖之一示意性圖解說明,其用以解釋非輻射式能量轉移、特定而言弗爾斯特共振能量轉移(FRET)以及施體114及受體116之各別能階之概念。在本文中使用一半導體中之能階之術語,其中由價帶與導帶之間的差定義能帶隙EG。然而,該推理可類似地應用於有機半導體,其中價帶對應於最高佔用分子軌域(HOMO)且導帶對應於最低未佔用分子軌域(LUMO),且帶隙作為HOMO-LUMO間隙。
施體114具有此處對應於施體帶隙EGD之一第一能階ED。具有高於ED之一能量EE之由光源發射之一光子(或由另一能量源發射之另一高能粒子)由施體吸收,使得施體達到一經激發狀態。通常,當由施體吸收之光子具有高於ED之一能量時,施體緩解302以達到具有能量ED之一經激發狀態,若施體藉由直接重新結合之方式緩解至基態,則可自該施體發射具有一第一波長λ1之一光子。一旦施體處於具有一能量ED之一經激發狀態中,能量便經由FRET非輻射式地轉移至具有對應於ED之一能階EA2之受體。在受體已經激發之後,其緩解304低至較低能階EA1,此後在受體緩解至基態時,經由重新結合而發射具有第二波長λ2之一光子。由於受體之帶隙EGA小於EGD,因此能量在波長轉換程序中損失,使得波長λ2長於波長λ1,且亦長於由施體吸收之光之波長。藉此,舉例而言,由光源102發射之藍色光朝向可見光譜之紅色部分移位。由施體透過直接重新結合、經由帶隙EGD發射之任何光將具有第一波長λ1。由於施體(舉例而言)可為在綠色/黃色波長範圍中發射之一染料分子且受體可為在紅色波長範圍中發射之一染料分子,因此抑制光直接自施體發射(亦即)以具有儘可能高的一FRET效率係合 意的。可藉由裁適施體與受體之間的距離、藉由控制波長轉換層104中之施體及受體之濃度使得一給定類型之施體與受體之間的平均距離適合用於FRET而達成一特定施體受體組合之一經增加FRET效率。
針對一單個施體及一單個受體,FRET效率EFRET可藉由下式計算
其中可看出,除所謂的弗爾斯特半徑R0(表徵特定類型之施體與受體之間的FRET之機率之一數字)之外,轉移程序之效率亦強烈取決於施體與受體之間的間距r。
在如此處論述之一層中,諸多施體及受體隨機分佈於一3D空間中。因此,為計算一特定施體之FRET效率,必須將在一間距ri處標記為i之所有受體(施體可與其相互作用)考量在內,如由下式所展示
由於受體相對於每一施體之確切位置係未知的,因此可使用受體濃度cAcc來闡述在至施體之一特定距離處找到一受體之機率而不包含施體與受體之間的確切間距。以此方式,可藉由比較在存在受體之情況下由施體發射之光子之強度或數目(IDA)與在不存在受體之情況下由施體發射之光子之強度或數目(ID)來計算隨受體濃度cAcc而變之針對一個三維配置之FRET效率:
為計算強度IDA及ID,對施體強度衰減隨時間(由t指示)求積分。表示在時間0處量測之施體強度或光子計數且τD係在不存在受體之情況下之施體之特性衰減時間或壽命。此外,係伽馬函數且c0 闡述一特性濃度,針對該特性濃度,具有半徑R0之一球形體積含有平均一個受體。在此濃度c0下,獲得72.38%之一FRET效率。
為將FRET用作用以增加一波長轉換層104中之吸收(例如,針對具有電漿子之應用)但不變更所得發射光譜之一機制,FRET效率必須係高的(諸如至少0.9,在實施例中高於0.95且在其他實施例中高於0.98)。在此情形中,將可偵測到極少施體發射或不可偵測到施體發射且來自照明裝置之發射光譜之形狀將完全類似受體之發射光譜之形狀。為在合理受體濃度(例如,約0.03受體/nm3,對應於4.0nm之一平均受體間距)下達成此等高FRET效率,應使用具有一相對高弗爾斯特半徑(在一實施例中,3.0nm或更高之一弗爾斯特半徑)之施體-受體組合。受體濃度不應太高,此乃因當受體彼此太接近時,受體量子效率之淬滅可降低整體系統效率。為達成約0.95之相關弗爾斯特效率,應實現針對R0=3.0nm之0.0295/nm3之一最小受體濃度(對應於4.0nm之一平均受體間距)。
此外,為顯著增強波長轉換層104中之吸收,施體對受體之比率應為至少1:1,然而,諸如4:1或5:1之更高比率將係甚至更有益的。然而,最大比率可受施體及受體之大小限制(此乃因若施體開始彼此太接近,則可為不利的)且取決於受體經激發狀態壽命及受體濃度(其判定一受體處於一基態中且回應於FRET之時間)。
此外,施體之一高濃度將導致對應於能量EE之幫浦波長附近之一高吸光度,該高吸光度減少具有高能量光子之受體之激發,此對受體之長期穩定性係有利的。然而,一太高施體濃度可導致受體之飽和。此處,天線陣列之受體與電漿子模式之間的耦合提供一額外優點,此乃因耦合減少受體之經激發狀態壽命。因此,具有儘可能高的一施體濃度而不具有施體-施體相互作用(例如,濃度淬滅)係合意的。
另外,在實施例中,施體114經組態使得施體之一吸收帶能夠吸 收帶隙上方之一能量範圍內之入射光,以使得吸收儘可能多的入射光。舉例而言,透過位於導帶能階ED(或在一有機分子之情形中,LUMO能階)上方之額外能階達成此。
原則上,上文所闡述之波長轉換層可與具有或不具有電漿子天線陣列之一或多個額外波長轉換層組合地經提供。
在一實例性實施例中,經組態以支援對應於紅色光之一頻率範圍下之電漿子-光子晶格共振之一電漿子天線陣列可(舉例而言)包括呈如圖4中所圖解說明之截頭角錐形天線元件400之形式之天線元件,截頭角錐形天線元件400具有在110nm至130nm之範圍中之一頂部側404、在135nm至155nm之範圍中之一底部側402及在100nm至160nm之範圍中之一高度406。在此實例中,該等側係一正方形之側之長度,但矩形或三角形亦係可能的。此外,天線元件配置成具有約400nm之一晶格常數之一正方形陣列。此外,具有470nm之一週期之一六角形陣列將展現接近法線之經增強發射。
天線元件可(舉例而言)由製作於一熔融二氧化矽基板上之鋁製成。波長轉換層可(舉例而言)為包括旋塗至基板上之施體及受體粒子之一種聚苯乙烯材料。
另外,依據對圖式、揭示內容及隨附申請專利範圍之一研究,熟習此項技術者在實踐所主張之本發明時可理解及實現所揭示實施例之變化。
在申請專利範圍中,措辭「包括(comprising)」並不排除其他元件或步驟,且不定冠詞「一(a)」或「一(an)」並不排除複數個。在互不相同之附屬技術方案中陳述特定措施之單純事實並不指示無法有利地使用此等措施之一組合。

Claims (15)

  1. 一種照明裝置(100),其包括:一波長轉換層(104),其包括經組態以吸收能量以達到一經激發狀態且發射一第一波長之光之一施體(114),及經組態以發射長於該第一波長之一第二波長之光之一受體(116);其中該施體及該受體經選擇且經配置於距彼此一定距離處,使得發生激發能量自該施體至該受體的非輻射式轉移(transfer),使得該受體在該能量轉移之後發射該第二波長下之一光子;該照明裝置進一步包括經嵌入於該波長轉換層內且包括經配置於一天線陣列平面中之複數個個別天線元件(108)之一週期性電漿子(plasmonic)天線陣列,該電漿子天線陣列經組態以支援由該等個別天線元件中之局域化表面電漿子共振至由包括該電漿子天線陣列及該波長轉換層之系統支援之光子模式之耦合所引起的該第二波長下之一第一晶格共振,其中該電漿子天線陣列經組態以包括電漿子共振模式,使得自該電漿子天線陣列發射之光具有一各向異性角度分佈。
  2. 如請求項1之照明裝置,該受體具有對應於該第二波長之一第一能階(EA1)及高於該第一能階之一第二能階(EA2),且該施體具有匹配該受體之該第二能階(EA2)之一能階(ED)。
  3. 如請求項1或2之照明裝置,其中一施體濃度及一受體濃度經選擇使得激發能量之自該施體至該受體之該非輻射式轉移具有高於0.9之一效率。
  4. 如請求項1或2之照明裝置,其中一施體濃度與一受體濃度之間之一比率係至少1:1。
  5. 如請求項1或2之照明裝置,其中一施體濃度與一受體濃度之間之一比率係在1:1至5:1之範圍中。
  6. 如請求項1或2之照明裝置,其中該施體及該受體係選自包括以下各項之群組之點發射體:稀土離子、染料分子及量子點。
  7. 如請求項6之照明裝置,其中該施體係發射具有自500nm至580nm之波長之綠色/黃色光之一染料分子或量子點。
  8. 如請求項6之照明裝置,其中該受體係發射具有自580nm至630nm之波長之紅色光之一染料分子或量子點。
  9. 如請求項6之照明裝置,其中該施體及/或該受體係一種二萘嵌苯染料分子。
  10. 如請求項1或2之照明裝置,其中一施體濃度及一受體濃度經選擇,使得該波長轉換層之消光係數及/或量子效率高於僅包括該受體之一波長轉換層之消光係數及/或量子效率。
  11. 如請求項1或2之照明裝置,進一步包括經組態以提供能量至該施體使得該施體達到該經激發狀態之一能量源。
  12. 如請求項11之照明裝置,其中該能量源係一光子發射體、一電子發射體、一x射線發射體、一伽馬射線發射體或一電子-電洞對。
  13. 如請求項11之照明裝置,其中該能量源係一發光二極體或一固態雷射。
  14. 如請求項1或2之照明裝置,其中該電漿子天線陣列經組態以包括平面外不對稱之電漿子共振模式。
  15. 如請求項1或2之照明裝置,其中該天線陣列包括具有在110nm至130nm之範圍中之一頂部側、在135nm至160nm之範圍中之一底部側,及在100nm至160nm之範圍中之一高度之複數個截頭角錐形天線元件,且其中該等天線元件係配置成具有約400nm之一晶格常數之一正方形陣列或具有470nm之一晶格常數之六角形陣列。
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