Ученые из Кембриджского университета совершили прорыв, разработав неожиданный способ питания материалов, которые обычно не проводят электричество. Это открытие открывает путь к созданию сверхчистых инфракрасных светодиодов нового поколения для медицинской визуализации, коммуникационных технологий и датчиков. Результаты, опубликованные в престижном журнале Nature, основаны на использовании крошечных «молекулярных антенн», передающих электрическую энергию изолирующим наночастицам, что ранее считалось невозможным.
В центре исследования находятся наночастицы, легированные лантаноидами — группой из 15 металлов (от лантана до лютеция), обладающих уникальными электронными оболочками. Благодаря заполненным 4f-орбиталям, которые экранированы внешними электронами, энергетические переходы в этих материалах почти не зависят от окружения, что обеспечивает узкие, дискретные спектры люминесценции и исключительную стабильность цвета. Такое излучение в ближнем инфракрасном диапазоне способно глубоко проникать в биологические ткани, что делает эти наночастицы перспективными для медицинской диагностики и сенсорики. Однако у них был серьезный недостаток: они являются электрическими изоляторами и не могут напрямую проводить ток, что мешало их использованию в электронных устройствах, таких как светодиоды.
Особую ценность представляет излучение во втором ближнем инфракрасном диапазоне (NIR-II) — спектральной области 1000–1700 нм. В этом диапазоне минимально рассеяние и поглощение биотканями, включая воду, гемоглобин и жиры, а автофлуоресценция живых клеток практически отсутствует. Это позволяет видеть структуры на глубине нескольких сантиметров с высоким разрешением, что невозможно при использовании обычных флуорофоров.
Кембриджские исследователи нашли обходной путь, прикрепив к наночастицам специально подобранные органические молекулы. Эта система позволила передавать электрическую энергию в изолирующий материал. Профессор Акшай Рао, руководитель работы, пояснил: «Мы нашли своего рода “черный ход”. Органические молекулы работают как антенны: они захватывают носители заряда и через триплетный энергетический перенос “перешептывают” энергию наночастице с удивительной эффективностью, превышающей 98%».
Устройства, названные LnLED, работают при относительно низком напряжении (около 5 вольт) и излучают свет с узким спектральным диапазоном. Доктор Чжунчжэн Ю, ведущий автор работы, подчеркнул, что чистота излучения в NIR-II — это огромное преимущество: «Для биомедицинских сенсоров или оптических коммуникаций нужен очень точный, специфический сигнал. Наши светодиоды достигают этого без усилий, в отличие от конкурирующих технологий, например, квантовых точек».
Потенциальные применения крайне широки: от миниатюрных имплантируемых светодиодов для обнаружения рака до мониторинга внутренних органов в реальном времени. Сверхчистое излучение также повысит эффективность оптических систем связи, уменьшив помехи и позволив передавать большие объемы данных с высокой четкостью. Исследователи считают, что технология может лечь в основу новых медицинских приборов, «видящих» глубоко внутри тела.
Хотя внешняя квантовая эффективность прототипов уже превысила 0,6% — показатель, который считается прорывным, так как достигнут на простых, нетоксичных материалах без сложной эпитаксиальной сборки, тогда как предыдущие аналоги демонстрировали эффективность на 1–2 порядка ниже, — ученые видят большие перспективы для улучшения. Доктор Юньчжоу Дэн отмечает: «Это только начало. Мы открыли целый новый класс материалов для оптоэлектроники. Принцип настолько универсален, что мы можем исследовать бесчисленные комбинации органических молекул и изолирующих наноматериалов». Прорыв финансируется грантами UKRI и стипендиями Марии Склодовской-Кюри, обещая революцию в медицине и связи.
Источник: The “impossible” LED that could change everything