Разработка сосредоточена вокруг технологии подачи электрического питания на ранее изолирующие наночастицы, называемые наночастицами, легированными лантаноидами (LnNP).
Исследователи из Кавендишской лаборатории Кембриджского университета обратились к давнему барьеру в оптоэлектронике.
Они изобрели молекулярный «черный ход» для питания материалов, которые ранее считались бесполезными для современной электроники.
В частности, разработка сосредоточена на технологии электропитания ранее изолирующих наночастиц, а именно наночастиц, легированных лантаноидами (LnNP).
Это привело к созданию нового класса светодиодов (LED), называемых «LnLED», которые могут способствовать развитию медицинской диагностики, сверхбыстрой оптической связи и высокочувствительных химических детекторов.
Энергетические наночастицы для электроники
Материалы LnNP известны своей способностью генерировать невероятно чистый и стабильный свет — особенно во втором ближнем инфракрасном диапазоне (NIR-II), который может проникать в биологические ткани гораздо глубже, чем видимый свет.
Проблема? Они обладают электроизоляционными свойствами. Это препятствует использованию этих наночастиц в электронных устройствах, таких как светодиоды.
«Эти наночастицы — фантастические излучатели света, но мы не могли питать их электричеством. Это было серьёзным препятствием для их использования в повседневных технологиях», — сказал профессор Акшай Рао, руководитель исследования в Кавендишской лаборатории.
Решением кембриджской команды стало создание органо-неорганического гибридного материала, позволяющего обойти изолирующие свойства LnNP.
В этом методе органический краситель (9-антраценкарбоновая кислота (9-ACA)) прикрепляется к поверхности LnNP. Эта молекула действует как «антенна».
В новой конструкции LnLED электрические заряды инжектируются непосредственно в молекулы 9-ACA, полностью минуя наночастицы.
Молекулы 9-ACA захватывают эту энергию и переходят в высокоэнергетическое триплетное возбужденное состояние (состояние, которое часто считают «темным» или бесполезным).
С эффективностью, превышающей 98%, энергия из триплетного состояния передается ионам лантаноидов в наночастице, что приводит к яркому излучению света.
«По сути, мы нашли способ обеспечить их энергией. Органические молекулы действуют как антенны, улавливая носители заряда, а затем «шепчут» их наночастице посредством особого триплетного процесса передачи энергии, который удивительно эффективен», — отметил Рао.
Множество приложений
Светодиоды LnLED работают при низком напряжении (около 5 вольт). Они генерируют свет с исключительно узкой спектральной шириной, обеспечивая более высокий уровень чистоты и специфичности, чем квантовые точки (КТ) и другие конкуренты.
«Чистота света во втором ближнем инфракрасном окне, излучаемого нашими LnLED, — огромное преимущество», — сказал доктор Чжунчжэн Юй, ведущий автор исследования и научный сотрудник Кавендишской лаборатории. «Для таких приложений, как биомедицинские датчики или оптическая связь, требуется очень чёткая, точная длина волны. Наши устройства без труда достигают этого, чего очень сложно добиться с другими материалами».
Беспрецедентная чистота и электрический контроль открывают широкий спектр применения.
Например, это может позволить создать передовые медицинские устройства, такие как миниатюрные, инъекционные или носимые LnLED-устройства для глубокой визуализации тканей (например, обнаружения рака или мониторинга функций органов) и активации лекарств с предельной точностью.
Специфический узкоспектральный свет обеспечивает более быструю и чёткую оптическую связь, позволяя передавать больше данных с меньшими помехами. И это ещё не всё. Чистота света идеально подходит для создания высокочувствительных детекторов для специфических химических или биологических маркеров.
Команда настроена оптимистично, поскольку уже продемонстрировала многообещающую начальную пиковую внешнюю квантовую эффективность более 0,6% для своих светодиодов NIR-II первого поколения и имеет четкие стратегии для значительных улучшений в будущем.
Исследование было опубликовано в журнале Nature 19 ноября.
Sourse: interestingengineering.com
