Forskare vid University of Cambridges Cavendish Laboratory har lyckats med det som tidigare ansågs vara omöjligt: att skapa en ny klass av lysdioder (LED) genom att elektriskt strömsätta isolerande nanopartiklar. De nya enheterna, som har fått namnet ”LnLEDs”, kan bana väg för allt från revolutionerande medicinsk bildbehandling till nästa generations optiska kommunikation.
Molekylära antenner löser isoleringsproblemet
De använda komponenterna är så kallade lanthanid-dopade nanopartiklar (LnNPs). Dessa har länge varit av intresse för forskare tack vare sin förmåga att producera stabilt och extremt rent ljus. Problemet har dock varit att partiklarna är elektriska isolatorer, vilket tidigare har gjort det omöjligt att använda dem i elektroniska enheter.
Forskarlaget, under ledning av professor Akshay Rao, lyckades övervinna denna barriär genom att använda ”molekylära antenner”. Genom att använda ett organiskt färgämne kallat 9-anthracenecarboxylic acid (9-ACA) kunde de slussa in elektrisk energi i nanopartiklarna. 9-ACA-molekylerna absorberar inkommande laddningar och går in i ett exciterat ”triplet-tillstånd” – en form av energi som vanligtvis är mörk – för att sedan överföra energin till lanthanid-jonerna med en effektivitet på över 98 %.
Ljus som ser genom vävnad
LnLED-enheterna emitterar ljus i det andra nära-infraröda spektrumet (NIR-II). Detta är särskilt värdefullt eftersom ljus i detta våglängdsområde har förmågan att tränga djupt in i biologisk vävnad. Till skillnad från kvantprickar (quantum dots) producerar LnLEDs ljus med en extremt smal spektral bredd, vilket säkerställer en mycket hög färgrenhet.
Tekniska specifikationer i korthet:
- Drivspänning: Låg driftspänning på cirka 5 volt.
- Effektivitet: En toppnotering för extern kvanteffektivitet (EQE) på över 0,6 % för den tidiga generationens enheter.
- Energiöverföring: Över 98 % effektivitet mellan antennmolekyler och joner.
Framtida tillämpningar: Från cancerdetektion till sensorer
Genombrottet, som publicerats i den vetenskapliga tidskriften Nature, öppnar upp för en rad avancerade användningsområden:
- Medicinsk bildbehandling: Realtidsövervakning av organ och mer precis detektering av cancer.
- Optisk kommunikation: Minskad störningskänslighet och högre dataeffektivitet tack vare det rena ljuset.
- Smarta sensorer: Injicerbara eller bärbara sensorer som kan aktivera ljuskänsliga läkemedel direkt i kroppen.
Studien leddes av professor Akshay Rao och medförfattades av doktorerna Zhongzheng Yu och Yunzhou Deng vid University of Cambridge.
