科學家們開發了一種令人驚訝的新方法，為通常不能導電的材料提供動力，為用於醫學成像、通訊技術和先進感測器的新一代超純近紅外線 LED 打開了大門。
這項突破基於微型“分子天線”，可將電能引導至絕緣奈米顆粒中。劍橋大學卡文迪許實驗室的研究人員利用這種方法，用這些以前「無能為力」的材料製造了第一批 LED。
他們的研究結果發表在 自然。
分子天線功率絕緣奈米粒子
該研究基於摻雜稀土奈米顆粒（LnNP），這種材料以產生高度穩定和超純淨的光而聞名。它們特別有價值，因為它們在第二近紅外線區域發射光，可以深入生物組織。這使得它們對醫學影像和感測技術具有吸引力。
儘管它們具有光學優勢，但這些奈米粒子有一個主要缺點。它們是電絕緣體，這意味著它們不能輕易攜帶電流。這項限制阻礙了科學家將其用於 LED 等電子設備。
劍橋大學的研究人員找到了一種克服這一障礙的方法，這是以前在正常條件下不可能實現的壯舉。透過將特別選擇的有機分子附著到奈米顆粒上，該團隊創建了一個能夠將電能傳輸到絕緣材料的系統。
卡文迪什實驗室領導這項研究的阿克謝·拉奧教授說：“這些奈米顆粒是奇妙的發光體，但我們無法用電為它們提供動力。這是阻止它們在日常技術中使用的一大障礙。” “從本質上講，我們找到了一個後門來餵養牠們。有機分子就像天線一樣，捕獲它載流子，然後通過一種獨特的能量轉移到它們中的一種獨特能量。
有機混合 LED 實現了 98% 以上的能量轉移
為了使這項技術發揮作用，科學家們建構了一種將有機分子與無機奈米粒子結合在一起的混合材料。一種稱為 9-蒽甲酸 (9-ACA) 的有機染料附著在 LnNP 的表面。
在新設計的 LED 中，電荷被引導至 9-ACA 分子而不是奈米粒子。這些分子充當分子天線，吸收傳入的能量並進入激發的「三重態」。
在許多光學系統中，三重態被認為是「暗」的，因為它們的大部分能量都損失了。然而，在這種新設計中，三線態能量轉移到奈米顆粒內的鑭系離子的效率超過 98%。這個過程使絕緣奈米顆粒發出明亮、純淨的光。
低功耗超純近紅外線LED
由此產生的裝置稱為“LnLED”，工作電壓相對較低，約 5 伏特。它們還產生光譜寬度非常窄的電致發光，比量子點 (QD) 等競爭技術提供更清潔的光輸出。
「我們的 LnLED 發出的第二個近紅外線窗口光的純度是一個主要優勢，」該研究的主要作者、卡文迪什實驗室的博士後研究員中正宇博士說。 “對於生物醫學感測或光通訊等應用，您需要極高的清晰度和波長精度。我們的設備可以輕鬆實現這一點，這是其他材料很難做到的。”
醫學影像和光通訊潛力
該技術可以帶來廣泛的未來應用。由於 LED 發出非常近紅外線的光，因此它們可以使新型醫療設備能夠看到體內情況。
微型可注射或穿戴式 LnLED 可以幫助醫生檢測癌症、即時監測器官或以非凡的精確度激活光敏藥物。
窄而穩定的光發射可以透過減少干擾並允許大量資料更清晰、更有效率地傳輸來改善光通訊系統。此外，該技術還可以支援能夠識別特定化學物質或生物標記的高靈敏度探測器。
第一代設備已經顯示出強勁的成果
研究團隊的 NIR-II LED 實現了超過 0.6% 的峰值外部量子效率，這對於第一代設備來說是一個令人印象深刻的結果。科學家也表示，有明確的方法可以進一步提高效能。
卡文迪什實驗室博士後研究員鄧雲洲博士補充說：“這只是一個開始。我們已經解鎖了一類新型光電子材料。” “基本原理是如此通用，以至於我們現在可以探索有機分子和絕緣奈米材料的多種組合。這將使我們能夠為我們尚未想到的應用創建具有定制特性的設備。”
這項工作得到了英國研究與創新 (UKRI) 前沿研究補助金 (EP/Y015584/1) 和個人博士後獎學金 (Marie Skłodowska-Curie 獎學金計劃) 的支持。
