Учёные из Кембриджского университета успешно обеспечили энергией изолирующие наночастицы с помощью молекулярных антенн, разработав сверхчистый светодиод ближнего инфракрасного диапазона. Результаты этого исследования, опубликованные в номере журнала *Природа* от 19 ноября, знаменуют собой создание нового класса сверхчистых светодиодов ближнего инфракрасного диапазона, потенциально применимых в медицинской диагностике, системах оптической связи и сенсорных технологиях. Исследовательская группа Кавендишской лаборатории Кембриджского университета специализируется на изучении нанооптоэлектронных материалов и устройств.
Исследовательская группа обнаружила, что присоединение органических молекул, в частности 9-антраценкарбоновой кислоты (9-ACA), к редкоземельным наночастицам (ЛНП), легированным церием, приводит к тому, что эти молекулы действуют как миниатюрные антенны, эффективно передавая электрическую энергию этим обычно непроводящим частицам. Этот инновационный метод позволяет этим наночастицам, которые долгое время были несовместимы с электронными компонентами, впервые излучать свет.
В основе исследования лежат наночастицы, легированные церием (ЛНП), класс материалов, известных своей исключительной чистотой и стабильностью излучения, особенно во втором ближнем инфракрасном диапазоне, способного проникать через плотные биологические ткани. Несмотря на эти преимущества, их низкая электропроводность долгое время препятствовала их использованию в электронных компонентах, таких как светодиоды.
Исследовательская группа решила эту проблему, разработав гибридный материал, сочетающий органические и неорганические компоненты. Они прикрепили органические красители, содержащие функциональные связывающие группы, к внешней поверхности ЛНП. В сконструированном светодиоде заряд направляется в молекулы 9-ACA, которые действуют как молекулярные антенны, а не напрямую переносится на наночастицы.
После активации эти молекулы переходят в возбуждённое триплетное состояние. Во многих оптических системах это триплетное состояние обычно считается тёмным и не используется; однако в данной конструкции более 98% энергии переносится из триплетного состояния к ионам церия внутри изолирующих наночастиц, что приводит к яркому и эффективному излучению света. Этот новый метод позволяет разработанным исследователями LnLED работать при низком напряжении, приблизительно 5 вольт, и генерировать электролюминесценцию с чрезвычайно узкой спектральной шириной и пиковой внешней квантовой эффективностью, превышающей 0,6%, что значительно превосходит конкурирующие технологии, такие как квантовые точки.
Это открытие открывает широкий спектр потенциальных применений для будущих медицинских устройств. Миниатюрные, инъекционные или носимые LnLED-светодиоды могут использоваться для глубокой визуализации тканей с целью выявления таких заболеваний, как рак, мониторинга функции органов в реальном времени или точного запуска светочувствительных препаратов. Чистота и узкая спектральная ширина излучаемого света также открывают перспективы для создания более быстрых и чётких систем оптической связи, что потенциально может привести к более эффективной передаче данных с меньшими помехами.