Επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ πέτυχαν αυτό που κάποτε θεωρούνταν αδύνατο, τροφοδοτώντας ηλεκτρικά μονωτικά νανοσωματίδια για να δημιουργήσουν ένα εντελώς νέο είδος LED. Χρησιμοποιώντας μικροσκοπικές οργανικές «μοριακές κεραίες», η ομάδα βρήκε έναν τρόπο να διοχετεύει ενέργεια σε υλικά που κανονικά δεν μπορούν να άγουν ηλεκτρισμό, παράγοντας εξαιρετικά καθαρό εγγύς υπέρυθρο φως με εντυπωσιακή απόδοση.
Μοριακές κεραίες τροφοδοτούν μονωτικά νανοσωματίδια
Η έρευνα επικεντρώνεται σε νανοσωματίδια εμπλουτισμένα με λανθανίδες (LnNPs), υλικά γνωστά για την παραγωγή εξαιρετικά σταθερού και καθαρού φωτός. Είναι ιδιαίτερα πολύτιμα επειδή εκπέμπουν φως στη δεύτερη περιοχή του εγγύς υπερύθρου, το οποίο μπορεί να ταξιδέψει βαθιά μέσα στον βιολογικό ιστό, καθιστώντας τα ιδανικά για την ιατρική απεικόνιση και τις τεχνολογίες αισθητήρων.
Παρά τα οπτικά τους πλεονεκτήματα, αυτά τα νανοσωματίδια έχουν ένα σημαντικό μειονέκτημα: είναι ηλεκτρικοί μονωτές, πράγμα που σημαίνει ότι δεν μπορούν να μεταφέρουν εύκολα ηλεκτρικό ρεύμα. Αυτός ο περιορισμός εμπόδιζε μέχρι σήμερα τους επιστήμονες να τα χρησιμοποιήσουν σε ηλεκτρονικές συσκευές όπως τα LED.
Οι ερευνητές στο Κέιμπριτζ βρήκαν μια παράκαμψη σε αυτό το εμπόδιο. Συνδέοντας ειδικά επιλεγμένα οργανικά μόρια στην επιφάνεια των νανοσωματιδίων, δημιούργησαν ένα σύστημα ικανό να μεταφέρει ηλεκτρική ενέργεια μέσα στο μονωτικό υλικό. Τα οργανικά μόρια λειτουργούν σαν κεραίες, παγιδεύοντας τους φορείς φορτίου και μεταφέροντας την ενέργεια στο νανοσωματίδιο μέσω μιας ειδικής διαδικασίας μεταφοράς ενέργειας τριπλής κατάστασης (triplet energy transfer).
Οργανικά υβριδικά LED με απόδοση μεταφοράς ενέργειας άνω του 98%
Για να θέσουν την τεχνολογία σε λειτουργία, οι επιστήμονες κατασκεύασαν ένα υβριδικό υλικό, συνδέοντας μια οργανική χρωστική ουσία που ονομάζεται 9-ανθρακενοκαρβοξυλικό οξύ (9-ACA) στην επιφάνεια των νανοσωματιδίων.
Μέσα στα πρόσφατα σχεδιασμένα LED, τα ηλεκτρικά φορτία κατευθύνονται στα μόρια 9-ACA αντί για τα ίδια τα νανοσωματίδια. Αυτά τα μόρια απορροφούν την εισερχόμενη ενέργεια και εισέρχονται σε μια διεγερμένη «τριπλή κατάσταση». Αν και σε πολλά οπτικά συστήματα οι τριπλές καταστάσεις θεωρούνται «σκοτεινές» επειδή η ενέργειά τους συχνά χάνεται, σε αυτόν τον σχεδιασμό η ενέργεια μεταφέρεται στα ιόντα λανθανιδών μέσα στα νανοσωματίδια με απόδοση που ξεπερνά το 98%. Η διαδικασία αυτή αναγκάζει τα μονωτικά νανοσωματίδια να εκπέμψουν έντονο και εξαιρετικά καθαρό φως.
Εξαιρετικά καθαρά LED εγγύς υπερύθρου με χαμηλή κατανάλωση ενέργειας
Οι προκύπτουσες συσκευές, οι οποίες ονομάζονται «LnLEDs», λειτουργούν σε σχετικά χαμηλή τάση περίπου 5 βολτ. Παράγουν επίσης ηλεκτροφωταύγεια με εξαιρετικά στενό φασματικό εύρος, γεγονός που τους δίνει πολύ καθαρότερη έξοδο φωτός σε σύγκριση με ανταγωνιστικές τεχνολογίες, όπως οι κβαντικές κουκκίδες (quantum dots – QDs). Αυτή η καθαρότητα του μήκους κύματος αποτελεί τεράστιο πλεονέκτημα για εφαρμογές όπως η βιοϊατρική αισθητήρων ή οι οπτικές επικοινωνίες, όπου απαιτείται ένα πολύ συγκεκριμένο και αιχμηρό μήκος κύματος.
Προοπτικές για την ιατρική απεικόνιση και τις οπτικές επικοινωνίες
Η τεχνολογία αυτή θα μπορούσε να οδηγήσει σε ένα ευρύ φάσμα μελλοντικών εφαρμογών:
- Ιατρικές συσκευές: Μικροσκοπικά ενέσιμα ή φορετά LnLEDs θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους γιατρούς να ανιχνεύσουν καρκίνους, να παρακολουθούν όργανα σε πραγματικό χρόνο ή να ενεργοποιούν φωτοευαίσθητα φάρμακα με εξαιρετική ακρίβεια βαθιά μέσα στο σώμα.
- Οπτικές επικοινωνίες: Η στενή και σταθερή εκπομπή φωτός θα μπορούσε να βελτιώσει τα συστήματα οπτικών επικοινωνιών, μειώνοντας τις παρεμβολές και επιτρέποντας σε μεγαλύτερους όγκους δεδομένων να ταξιδεύουν με μεγαλύτερη σαφήνεια και効率τικότητα.
- Ανιχνευτές υψηλής ευαισθησίας: Η τεχνολογία μπορεί να υποστηρίξει αισθητήρες ικανούς να αναγνωρίζουν συγκεκριμένες χημικές ουσίες ή βιολογικούς δείκτες.
Η ομάδα έρευνας έχει ήδη επιτύχει μέγιστη εξωτερική κβαντική απόδοση μεγαλύτερη από 0,6% για τα LED της περιοχής NIR-II, ένα εντυπωσιακό αποτέλεσμα για μια συσκευή πρώτης γενιάς, ενώ υπάρχουν σαφείς κατευθύνσεις για ακόμη μεγαλύτερη βελτίωση της απόδοσης στο μέλλον.
