Naukowcy z Uniwersytetu Cambridge z powodzeniem zasilali izolujące nanocząstki za pomocą anten molekularnych, opracowując niezwykle czystą diodę LED emitującą promieniowanie bliskiej podczerwieni. Wyniki tych badań, opublikowane w numerze czasopisma *Nature* z 19 listopada, oznaczają powstanie nowej klasy ultraczystych diod LED emitujących promieniowanie bliskiej podczerwieni, które mogą znaleźć zastosowanie w diagnostyce medycznej, systemach komunikacji optycznej i technologiach czujników. Zespół badawczy z Laboratorium Cavendisha na Uniwersytecie Cambridge koncentruje się na badaniach nad materiałami i urządzeniami nanooptoelektronicznymi.
Zespół badawczy odkrył, że poprzez dołączenie cząsteczek organicznych, a konkretnie kwasu 9-antracenokarboksylowego (9-ACA), do nanocząstek ziem rzadkich domieszkowanych cerem (LnNP), cząsteczki te działają jak miniaturowe anteny, skutecznie przekazując energię elektryczną tym zazwyczaj nieprzewodzącym cząstkom. Ta innowacyjna metoda pozwala tym nanocząstkom, które od dawna były niezgodne z elementami elektronicznymi, po raz pierwszy emitować światło.
Sednem badań są nanocząstki domieszkowane cerem (LnNP), klasa materiałów znanych z wytwarzania niezwykle czystego i stabilnego światła, szczególnie w drugim zakresie bliskiej podczerwieni, które może przenikać przez gęste tkanki biologiczne. Pomimo tych zalet, ich brak przewodnictwa elektrycznego od dawna uniemożliwia ich zastosowanie w elementach elektronicznych, takich jak diody LED.
Zespół badawczy rozwiązał ten problem, opracowując materiał hybrydowy łączący składniki organiczne i nieorganiczne. Do zewnętrznej powierzchni LnNP przymocowano barwniki organiczne zawierające funkcjonalne grupy kotwiczące. W skonstruowanej diodzie LED ładunek jest kierowany do cząsteczek 9-ACA, które działają jak anteny molekularne, zamiast bezpośrednio przekazywać ładunek do nanocząstek.
Po wyzwoleniu cząsteczki te przechodzą w wzbudzony stan tripletowy. W wielu układach optycznych ten stan tripletowy jest zazwyczaj uważany za stan "dark i nie jest wykorzystywany; jednak w tym projekcie ponad 98% energii jest przenoszone ze stanu tripletowego do jonów ceru w izolujących nanocząstkach, co skutkuje jasną i wydajną emisją światła. Ta nowa metoda pozwala diodom LnLED zespołu na pracę przy niskim napięciu około 5 woltów i wytwarzanie elektroluminescencji o niezwykle wąskiej szerokości widmowej i szczytowej zewnętrznej wydajności kwantowej przekraczającej 0,6%, co czyni je znacznie lepszymi od konkurencyjnych technologii, takich jak kropki kwantowe.
To odkrycie otwiera szeroki wachlarz potencjalnych zastosowań dla przyszłych urządzeń medycznych. Miniaturowe, wstrzykiwane lub noszone diody LnLED mogą być wykorzystywane do obrazowania tkanek głębokich w celu wykrywania chorób takich jak nowotwory, monitorowania funkcji narządów w czasie rzeczywistym lub precyzyjnego podawania leków światłoczułych. Czystość i wąska szerokość widmowa emitowanego światła dają również nadzieję na szybsze i wyraźniejsze systemy komunikacji optycznej, potencjalnie prowadząc do wydajniejszej transmisji danych z mniejszą liczbą zakłóceń.