Forskere ved University of Cambridge har med succes forsynet isolerende nanopartikler med strøm ved hjælp af molekylære antenner og udviklet en ekstremt ren nær-infrarød LED. Resultaterne af denne forskning, der er offentliggjort i *Nature*-udgaven den 19. november, markerer skabelsen af en ny klasse af ultrarene nær-infrarøde LED'er med potentielle anvendelser inden for medicinsk diagnostik, optiske kommunikationssystemer og sensorteknologier. Forskerholdet på Cavendish Laboratory ved University of Cambridge fokuserer på studiet af nano-optoelektroniske materialer og enheder.
Forskerholdet opdagede, at ved at binde organiske molekyler, specifikt 9-anthracencarboxylsyre (9-ACA), til ceriumdopede sjældne jordartsnanopartikler (LnNP'er), fungerer disse molekyler som miniatureantenner, der effektivt overfører elektrisk energi til disse typisk ikke-ledende partikler. Denne innovative metode gør det muligt for disse nanopartikler, som længe har været uforenelige med elektroniske komponenter, at udsende lys for første gang.
Kernen i forskningen ligger i ceriumdopede nanopartikler (LnNP'er), en klasse af materialer, der er kendt for at producere ekstremt rent og stabilt lys, især i det andet nær-infrarøde område, som kan trænge ind i tæt biologisk væv. Trods disse fordele har deres manglende elektriske ledningsevne længe forhindret deres anvendelse i elektroniske komponenter såsom LED'er.
Forskerholdet løste dette problem ved at udvikle et hybridmateriale, der kombinerede organiske og uorganiske komponenter. De fastgjorde organiske farvestoffer indeholdende funktionelle forankringsgrupper til den ydre overflade af LnNP'erne. I den konstruerede LED ledes ladningen ind i 9-ACA-molekylerne, der fungerer som molekylære antenner, i stedet for direkte at overføre ladningen til nanopartiklerne.
Når de er udløst, går disse molekyler ind i en exciteret triplettilstand. I mange optiske systemer betragtes denne triplettilstand typisk som en ddhhhhmørktilstand og udnyttes ikke. I dette design overføres dog over 98 % af energien fra triplettilstanden til ceriumionerne i de isolerende nanopartikler, hvilket resulterer i en lys og effektiv lysudsendelse. Denne nye metode gør det muligt for teamets LnLED'er at fungere ved en lav spænding på cirka 5 volt og producere elektroluminescens med en ekstremt smal spektralbredde og en maksimal ekstern kvanteeffektivitet på over 0,6 %, hvilket gør dem betydeligt bedre end konkurrerende teknologier såsom kvanteprikker.
Denne opdagelse åbner op for en bred vifte af potentielle anvendelser for fremtidig medicinsk udstyr. Miniature-, injicerbare eller bærbare LnLED'er kan bruges til dyb vævsbilleddannelse for at detektere sygdomme som kræft, overvåge organfunktion i realtid eller præcist udløse lysfølsomme lægemidler. Renheden og den smalle spektralbredde af det udsendte lys giver også potentiale for hurtigere og klarere optiske kommunikationssystemer, hvilket potentielt kan føre til mere effektiv datatransmission med mindre interferens.