Молекулярные антенны позволили создать светодиоды из изолирующих наночастиц

На этой художественной иллюстрации наночастица, легированная лантаноидами, изображена в виде паука, а паутина из 9-антраценкарбоновой кислоты представляет собой органическую антенну, предназначенную для захвата носителей заряда и эффективного сбора неуловимых «тёмных» молекулярных триплетных экситонов. Автор: Чжунчжэн Юй.

Исследователи из Кембриджского университета разработали метод электрического питания изолирующих наночастиц, что ранее считалось невозможным в обычных условиях. Прикрепив органические молекулы, которые действуют как крошечные антенны, они создали первые в мире светоизлучающие диоды (LED) из этих материалов.

Прорыв, опубликованный в журнале Nature, открывает путь к новому поколению устройств для биомедицинской визуализации глубоких тканей, высокоскоростной передачи данных и сенсоров.

Исследование сосредоточено на материалах, известных как наночастицы, легированные лантаноидами (LnNPs). Эти частицы известны своей исключительной способностью излучать невероятно чистый и стабильный свет, особенно в ближнем инфракрасном диапазоне, который может глубоко проникать в биологические ткани.

Однако их электрическая изолирующая природа не позволяла использовать их в современных электронных устройствах, таких как светодиоды.

«Эти наночастицы — фантастические источники света, но мы не могли питать их электричеством. Это был серьёзный барьер, мешавший их использованию в повседневных технологиях», — сказал профессор Акшай Рао, руководивший исследованием.

«Мы, по сути, нашли обходной путь. Органические молекулы действуют как антенны, захватывают носители заряда, а затем «перешёптываются» с наночастицей через специальный процесс передачи триплетной энергии, который оказывается удивительно эффективным».

Команда создала гибридный органическо-неорганический материал, прикрепив органический краситель 9-антраценкарбоновую кислоту (9-ACA) к поверхности LnNPs.

В новых светодиодах заряды поступают в эти молекулы-антенны, а не в сами наночастицы. Молекулы захватывают энергию и переходят в возбуждённое «триплетное» состояние. Обычно это состояние считается «тёмным» и бесполезным, но в данной системе энергия передаётся с эффективностью более 98% к ионам лантаноидов внутри изолирующих наночастиц, заставляя их ярко светиться.

Этот метод позволяет новым «LnLED» включаться при низком рабочем напряжении около 5 вольт и производить электролюминесценцию с исключительно узким спектром, что делает свет значительно чище, чем у конкурирующих технологий, таких как квантовые точки.

«Чистота света в ближнем инфракрасном диапазоне, излучаемого нашими LnLED, — огромное преимущество. Для таких приложений, как биомедицинское зондирование или оптическая связь, требуется очень резкая, специфическая длина волны. Наши устройства достигают этого без усилий», — отметил ведущий автор исследования доктор Чжунчжэн Юй.

Это открытие открывает широкий спектр потенциальных применений. Крошечные, инъектируемые или носимые LnLED можно использовать для визуализации глубоких тканей, обнаружения таких заболеваний, как рак, мониторинга функции органов в реальном времени или активации светочувствительных препаратов с высочайшей точностью.

Команда уже продемонстрировала пиковую внешнюю квантовую эффективность более 0,6% для своих NIR-II светодиодов — чрезвычайно многообещающий результат для устройства первого поколения.

«Это только начало. Мы открыли целый новый класс материалов для оптоэлектроники. Фундаментальный принцип настолько универсален, что теперь мы можем исследовать бесчисленные комбинации органических молекул и изолирующих наноматериалов», — добавил доктор Юньчжоу Дэн.