基于碗状阵列光子晶体的广角照明增强技术：角度无关光子带隙的创新应用

针对平面光子晶体(PCS)角度依赖带隙(PBG)导致LED照明增强受限的问题，研究人员通过逐步乳液聚合法合成氟化核-中间层-壳(CIS)聚合物颗粒，采用弯曲诱导有序技术(BIOT)制备自支撑平面PC薄膜，并利用光刻法热压成碗状阵列光子晶体(bPC)。该bPC凭借半球形表面实现角度无关PBG，使平面LED照明强度提升2.33倍且广角性能稳定，为LED产业提供高效解决方案。

　　

在照明、显示和生物医学等领域，发光二极管(LED)因其高效节能、寿命长等优势占据核心地位。然而，LED芯片内外折射率差异导致的全内反射现象，使大部分光子被困于芯片内部，光提取效率(LEE)不足成为行业瓶颈。传统解决方案如分布式布拉格反射器(DBR)和表面粗糙化技术虽有效，但平面光子晶体(PCs)的角度依赖光子带隙(PBG)特性仍限制其广角增强能力。当光线以不同角度入射时，只有特定角度的光能被反射，其余角度则“逃逸”失效。如何突破角度限制，实现稳定、高效的广角照明增强，成为亟待攻克的技术难题。

浙江理工大学的研究团队创新性地提出碗状阵列光子晶体(bPC)结构，通过独特的半球形几何设计实现角度无关PBG特性。研究采用逐步乳液聚合法合成具有核(聚苯乙烯PS)-中间层(聚甲基丙烯酸甲酯PMMA)-壳(含氟丙烯酸酯共聚物)结构的氟化CIS颗粒，利用弯曲诱导有序技术(BIOT)组装成自支撑平面PC薄膜，再通过光刻热压法将其转化为碗状阵列。这种bPC不仅保留PCs的周期性折射率分布特性，更因半球形表面对所有入射光保持垂直关系，使PBG红移的同时消除角度依赖性。实验表明，bPC作为反射器可使平面LED照明强度提升2.33倍，且在0°-60°检测范围内保持稳定增强效率。该成果发表于《Optical Materials》，为LED广角增效提供了兼具柔性和耐久性的新方案。

关键技术方法
研究团队通过三步实现技术突破：(1) 乳液聚合法合成PS@PMMA@P(FA-EA-BA)氟化CIS颗粒，XPS和FTIR验证氟元素成功引入；(2) 采用BIOT技术诱导颗粒有序排列，形成具有可调结构色和PBG的平面PC薄膜；(3) 以半球形阵列模板通过热压光刻制备bPC，利用半球曲率实现角度无关光学特性。

研究结果
Abstract
平面PCs的角度依赖PBG特性被bPC的半球形结构突破，反射测试显示LED照明强度提升至2.33倍且广角性能稳定。

Introduction
对比传统PCs和球形PCs的局限性，提出自支撑bPC兼具柔性操作与角度无关优势，通过BIOT和光刻技术实现结构创新。

Results and Discussion
氟化CIS颗粒的核壳结构经XPS和FTIR确证，BIOT薄膜的PBG可通过颗粒尺寸调控，而bPC的半球形阵列使反射光谱在15°-75°入射角下仅偏移<5 nm。

Conclusions
bPC的角度无关PBG特性使其在0°-60°范围内实现均匀照明增强，且柔性自支撑特性便于工业化应用。

结论与意义
该研究通过材料设计与结构创新，首次将碗状几何引入PCs领域，解决了角度依赖性的行业难题。bPC的2.33倍增效能力与广角稳定性，使其在车灯、显示屏等需要宽视场照明的场景中具有显著优势。此外，氟化壳层赋予的耐候性和BIOT技术的可扩展性，为PCs的大规模生产奠定基础。这项研究不仅推进了光子晶体理论的发展，更为LED产业升级提供了关键技术支撑。