發光二極管（LED）是現代住宅、工業(ye) 和汽車照明等領域廣泛應用的理想照明光源，但是 LED 卻有種技術限製被稱為(wei) “光效下降” 效應。

這種限製通俗來講，就是 LED 隻在低電流 （僅(jin) 幾十毫安） 下可以最有效地工作，而隨著輸入電流的增大，發光效率反而會(hui) 逐漸降低。這意味著要維持照明效率，LED 必須在較低的電流下工作，且由於(yu) LED“光效下降”效應，我們(men) 必須增大 LED 器件的麵積，或在一個(ge) 燈泡中增加更多的 LED，從(cong) 而在不犧牲效率的同時增加亮度，這不僅(jin) 限製了所有商用 LED 的性能提升，也將亞(ya) 微米級 LED 和激光器的輸出功率限製為(wei) 納瓦。

不過，新的研究發現可能會(hui) 從(cong) 根本上改變這種情況。日前，由美國國家標準與(yu) 技術研究所（NIST）牽頭的科研小組開發了一種新型 LED 設計：“鰭式”LED（Fin LED），這種設計可以產(chan) 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 光源效率限製的關(guan) 鍵一步。

該研究小組還包括來自馬裏蘭(lan) 大學、倫(lun) 斯勒理工學院和 IBM 托馬斯 ·J· 沃森研究中心的多位科學家，論文發表在《科學進展》（Science Advances）雜誌上，LED 亮度的大幅提高以及產(chan) 生激光的能力等特性，都有望使該技術產(chan) 生更多衍生價(jia) 值。

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

NIST 負責構思 LED 新設計的專(zhuan) 家巴巴克 · 尼古巴赫（Babak Nikoobakht）說：“這是製造 LED 的全新架構，我們(men) 使用的材料與(yu) 傳(chuan) 統 LED 相同，區別在於(yu) 它們(men) 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(lun) 亞(ya) 克（Nick Holonyak）發明，當初隻有紅色。2014 年度，諾貝爾物理學獎授予了三名日本科學家（赤崎勇、天野浩和中村修二），以表彰他們(men) 發明了藍光 LED 技術，開創了照明新時代。

雖然有幾十年的技術發展史，但即使是現代的 LED 產(chan) 品，其局限性也使它們(men) 的設計師們(men) 感到沮喪(sang) 。在某種程度上，給一個(ge) LED 輸入更多的電能會(hui) 使它發光更明亮，但是達到一個(ge) 臨(lin) 界點後，就會(hui) 隻剩工作溫度劇增，而亮度卻會(hui) 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 光效下降問題，我們(men) 就可以簡單地通過增加驅動電流來使 LED 變得更亮。

有意思的是，研究人員開發的新設計，最初並不是為(wei) 了著手解決(jue) “光效下降” 這個(ge) 問題，他們(men) 原打算製造一種微型 LED，用於(yu) 非常小的應用，例如 NIST 正在研究的芯片實驗室技術。

研究小組對 LED 發光部分進行了全新的構建：與(yu) 常規 LED 所采用的平麵設計不同，他們(men) 使用長而細的氧化鋅線束（稱為(wei) 鰭片）構建了光源，每個(ge) 鰭的長度僅(jin) 約 5 微米，大約是人類頭發平均寬度的十分之一，它們(men) 組成的鰭陣列看起來像一個(ge) 微小的梳子，可以延伸到 1 厘米或更大的區域。

圖|鰭式 LED 像素和陣列光學圖像（來源：Science Advances）

尼古巴赫說：“我們(men) 看到了鰭片的機會(hui) ，因為(wei) 我認為(wei) 鰭片的細長形狀和較大的側(ce) 麵可以接收更多的電流。一開始我們(men) 隻是想測試一下新設計的‘極限’，我們(men) 開始加大電流，想辦法把它開到燒壞為(wei) 止，但它總是越來越亮。”

典型的麵積小於(yu) 平方微米的 LED 發光功率約為(wei) 22 納瓦，但這種新型 LED 最多可產(chan) 生 20 微瓦，將發光功率最高提升近 1000 倍。這表明該設計克服了 LED 的光效下降障礙，從(cong) 而使光源更明亮。

“這是我見過的最有效的解決(jue) 方案之一。”南卡羅來納大學電氣工程教授格裏戈裏 · 西敏（Grigory Simin）評價(jia) 說，學界和產(chan) 業(ye) 界多年來一直致力於(yu) 提高 LED 的效率，而其他方法在應用於(yu) 亞(ya) 微米級的 LED 時通常會(hui) 遇到技術問題，這種方法卻做得很好。”

圖|在高電流密度下，鰭式 LED 過渡到鰭式激光器（來源：Science Advances）

當在實驗中不斷加大電流時，研究小組又有了一個(ge) 驚人發現。雖然 LED 起初在一定波長範圍內(nei) 發光，但其最終會(hui) 縮小為(wei) 深紫色的兩(liang) 個(ge) 波長，他們(men) 的微型 LED 竟然變成了一個(ge) 微小的激光器，實驗記錄到的電流密度為(wei) 1000 kA/cm 2，LED 轉換為(wei) 激光，亮度超過 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，諧振腔才能使光線反彈以產(chan) 生激光。” 尼古巴赫說。“但鰭式設計可以獨立完成全部工作。”微型激光器的應用也非常多，不僅(jin) 在化學傳(chuan) 感方麵，而且在下一代手持式通信產(chan) 品、高清顯示器和消毒方麵也是如此。

尼古巴赫認為(wei) ：“這種全新 LED 設計作為(wei) 重要的構建基塊具有很大的潛力。” “雖然這不是人們(men) 製造的最小的激光器，但它是一個(ge) 非常明亮的激光器，且不存在效率下降的問題，將會(hui) 大有用處。”

研究結論中指出，這項發現令人鼓舞，代表了 LED 設計體(ti) 係結構的重要一步，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(ge) 像素可實現的輸出功率。