利用萤火虫原理让LED更闪亮

萤火虫尾部忽明忽暗的光芒赐予了科学家灵感。最近，他们根据女巫萤火虫尾部发光器结构，改进了发光二极管(LED)，可使其效率提高50%%u4EE5上。

来自比利时、法国和加拿大的研究人员在光学会(OSA)期刊《光学快报》(Optics Express)上发表了两篇文章，介绍了他们的仿生学研究成果。他们对萤火虫尾部的发光器进行研究时，意外地发现了一种锯齿状排列的鳞片，它可以提高发光器的亮度。随后科学家将其应用在了LED设计中，制作出了模仿萤火虫发光器天然结构的LED覆盖层。这种覆盖层最高可提高55%%u7684LED光提取效率，并且很容易应用到现有二极管设计中，为人类节约更多能源。

“这项研究告诉我们，认真观察自然万物可以让我们学到许多，”安尼克�贝(Annick Bay)如是说。安尼克�贝是比利时那慕尔大学的在读博士，她的研究方向是天然光子结构，包括甲壳虫的鳞片和蝴蝶的翅膀。当她的导师让�珀尔�维涅隆(Jean Pol Vigneron)在中美洲进行野外工作时，发现了多群萤火虫，并把一些女巫萤属(Photuris)萤火虫样本带回了实验室做进一步研究。

萤火虫通过一种化学反应制造荧光。这个化学反应发生在一种特殊的发光细胞中。而荧光则从萤火虫的一部分外骨骼——角质层——中发出。光在角质层中的传播速度慢于在空气中的传播速度。光在这两种不同介质中的速度差意味着有一部分光线被反射回了发光器，这使发光器的亮度相对变暗。不过这些萤火虫样本角质层独特的几何表面可以最大程度地减小反射。这使它们发出的光线更强，更容易被异性发现。

在《光学快报》的论文中，贝、维涅隆及其同事首次对这种发光器的复杂结构进行了描述，并解释了这样的结构将如何提升LED设计水平。在扫描电子显微镜的帮助下，研究人员发现了萤火虫角质层上纳米级的骨架，以及更大一些的鳞片。当研究人员利用计算机模拟这种结构影响光线传播的过程时，发现大多数光线都是从这些锯齿状鳞片的锋利边缘发出的。随后研究人员用实验证实了这个结果，当他们从下方照射角质层时，这些边缘的亮度最高。

工厂屋顶结构示意图。

图片：locallocalhistory.co.uk

贝说，“这些边缘结构有着工厂屋顶一样的形状。鳞片的末端向外突出，并有一个斜坡，就像是工厂的屋顶。“每隔10微米就有一个突出，其高度大约有3微米。最初我们认为更小的纳米结构最为重要，但最后我们惊讶地发现，能够最有效提高光提取效率的正是这个大家伙。”

像LED这样的人造发光装置同萤火虫的发光器一样，存在着内反射的问题。贝和她的团队认为一套像工厂屋顶一样的覆盖层可以让LED更亮。他们在《光学快报》上发表的第二篇文章描述了在标准的氮化镓LED上增加锯齿状覆盖层的方法。加拿大舍布鲁克大学的尼古拉斯•安德烈(Nicolas Andr�)在标准氮化镓LED上涂了一层光敏材料，然后用激光照射截面制作出了类似工厂屋顶的三角斜面。由于光在LED中的传播速度比在萤火虫角质层中的速度更低，所以科学家调整了这些“鳞片”的大小，以便最大限度地提高光提取效率。“这项技术的好处在于过程简单，也不必制造新的LED。只需要多几个处理步骤我们便能给LED添加覆盖层、用激光制模。”

其他的研究团队也曾对萤火虫发光器的光激结构进行研究，但是他们都把注意力放在了纳米级结构上。贝领导的团队是第一个发现微米级光激结构的。这种结构比可见光的波长要大，但其提高光提取效率的效果比更小的纳米结构还要好，令人感到意外。研究人员测试了这种工厂屋顶状的覆盖层，发现它可以将光提取效率提高50%%u4EE5上。研究人员估计，这种可以通过在现有制造技术中进行调整而实现的新颖设计，可能会在几年之内应用在LED生产中。

启发了研究人员设计出这种新型高效LED覆盖层的萤火虫样本属于女巫萤属，在拉丁美洲和美国很常见。贝说她和同事还将继续探索自然界伟大的多样性，需找知识和灵感的新源泉。“女巫萤属的萤火虫发光效率非常高，不过我非常肯定有其他种类的萤火虫的发光效率会更高。我们的工作还没有结束。”