科学者たちは、通常は電気を通さない材料に電力を供給する驚くべき新しい方法を開発し、医療画像、通信技術、高度なセンサー用の新世代の超高純度赤外線 LED への扉を開きました。
この画期的な進歩は、電気エネルギーを孤立したナノ粒子に伝達する小さな「分子アンテナ」にかかっています。ケンブリッジ大学キャベンディッシュ研究所の研究者らは、この方法を使用して、これらの「電力のない」材料から史上初の LED を作成しました。
彼らの発見は、 自然。
ナノ粒子分子アンテナは電力絶縁体です
この研究は、超安定で超純粋な光を生成することで知られる材料であるランタニドドープナノ粒子 (LnNP) に焦点を当てています。これらは、生体組織の奥深くまで到達する可能性がある 2 番目の近赤外領域の光を発するため、特に価値があります。このため、医療用画像およびセンシング技術にとって魅力的なものとなっています。
これらのナノ粒子には光学的な利点があるにもかかわらず、1 つの大きな欠点があります。それらは電気絶縁体であり、簡単に電流を流すことができないことを意味します。この制限により、科学者は LED などの電子デバイスにそれらを使用することができませんでした。
ケンブリッジの研究者らは、これまで通常の条件下では不可能だと考えられていたこの障害を回避する方法を発見した。特別に選択された有機分子をナノ粒子に付着させることにより、研究チームは電気エネルギーを絶縁材料に伝達できるシステムを作成した。
キャベンディッシュ研究所で研究を主導したアクシャイ・ラオ教授は、「これらのナノ粒子は素晴らしい発光体ですが、電気で点灯させることはできませんでした。それが日常技術での使用を妨げる大きな障壁でした」と述べた。 「基本的に、私たちはそれらを活性化するバックドアを発見しました。有機分子はアンテナのように機能し、電荷キャリアを捕捉し、三重エネルギー伝達の特別なプロセスを通じてそれをナノ粒子に「ささやき」ます。これは驚くほど効率的です。」
有機ハイブリッド LED は 98% 以上のエネルギー伝達を達成
この技術を機能させるために、科学者たちは有機分子と無機ナノ粒子を組み合わせたハイブリッド材料を構築しました。彼らは、9-アントラセンカルボン酸（9-ACA）と呼ばれる有機色素をLnNPの表面に付着させた。
新しい LED の内部では、電荷はナノ粒子自体ではなく 9-ACA 分子に向けられます。これらの分子は、入ってくるエネルギーを吸収し、励起された「三重項状態」になる分子アンテナとして機能します。
多くの光学系では、三重項状態はエネルギーが失われることが多いため、「暗い」と考えられます。しかし、この新しい設計では、三重項エネルギーが 98% 以上の効率でナノ粒子内のランタニドイオンに伝達されます。このプロセスにより、分離されたナノ粒子は非常に明るく純粋な光を放射します。
低消費電力の超高純度近赤外 LED
結果として得られるデバイスは「LnLED」と呼ばれ、約 5 ボルトの比較的低い電圧で動作します。また、極めて狭いスペクトル幅のエレクトロルミネッセンスも生成し、量子ドット (QD) などの競合技術よりもはるかに純粋な光出力を実現します。
「当社のLnLEDが発する第2の近赤外線窓の光の純度は、大きな利点です」と、この研究の筆頭著者でありキャベンディッシュ研究所の研究責任者であるZhongzheng Yu博士は述べた。 「生物医学センシングや光通信などのアプリケーションでは、非常に鋭く特定の波長が必要です。当社のデバイスはこれを簡単に実現しますが、これは他の材料では非常に困難なことです。」
医療画像と光通信の可能性
この技術は将来の幅広い応用につながる可能性があります。 LED は超高純度の赤外線を放射するため、体の深部を観察できる新しい医療機器が可能になる可能性があります。
小型の注射可能またはウェアラブル LnLED は、医師が癌を検出したり、リアルタイムで臓器を監視したり、光に敏感な薬剤を非常に正確に活性化したりするのに役立ちます。
狭くて安定した発光により、干渉が軽減され、大量のデータがより明確かつ効率的に通過できるようになり、光通信システムも改善されます。さらに、この技術は、特定の化学物質またはバイオマーカーを検出できる高感度検出器をサポートする可能性があります。
第 1 世代のデバイスはすでに優れた結果を示しています
研究チームはすでに、NIR-II LED で 0.6% を超える記録的な外部量子効率を達成しており、初期世代のデバイスとしては素晴らしい結果です。科学者たちはまた、パフォーマンスをさらに向上させる明確な方法があるとも述べています。
「これはほんの始まりにすぎません。私たちはオプトエレクトロニクスのための全く新しい種類の材料を開拓しました」とキャベンディッシュ研究所の博士研究員であるユンジョウ・デン博士は付け加えた。 「基本原理は非常に汎用性が高いため、有機分子と単離されたナノマテリアルの無数の組み合わせを探索できるようになりました。これにより、私たちがまだ考えていなかった用途に最適化された機能を備えたデバイスを作成できるようになります。」
この研究は、英国研究イノベーション (UKRI) 助成金 (EP/Y015584/1) および個人の博士研究員制度 (マリー・スクウォドフスカ・キュリー・フェローシップ助成金制度) によって部分的に支援されました。
