Ученые создали «невозможные» светодиоды, заставив изоляторы светиться

Ученые Кембриджского университета совершили прорыв, создав светодиоды из материалов, которые ранее считались «незапитываемыми» электричеством. Исследование, опубликованное в журнале Nature, описывает новый метод, позволяющий заставить светиться изолирующие наночастицы, легированные лантаноидами (LnNPs).

Эти наночастицы известны своей способностью излучать исключительно чистый и стабильный свет в ближнем инфракрасном диапазоне, что делает их перспективными для медицинской визуализации и сенсоров. Однако их главным недостатком была неспособность проводить электрический ток. Команда под руководством профессора Акшая Рао решила эту проблему, присоединив к наночастицам специальные органические молекулы, которые действуют как «молекулярные антенны». Они улавливают носители заряда и передают энергию наночастицам через процесс переноса триплетной энергии.

«Эти наночастицы — фантастические излучатели света, но мы не могли запитать их электричеством. Это был главный барьер, — пояснил профессор Рао. — Мы по сути нашли черный ход для их питания. Органические молекулы действуют как антенны, улавливая носители заряда и затем «перешептывая» их наночастице через специальный процесс переноса триплетной энергии, который удивительно эффективен».

В гибридном материале ученые использовали органический краситель 9-антраценкарбоновую кислоту (9-ACA), присоединенную к поверхности LnNPs. Электрические заряды направляются в молекулы 9-ACA, которые переходят в возбужденное «триплетное состояние». Энергия этого состояния передается ионам лантаноидов внутри наночастиц с эффективностью более 98%, заставляя изолирующие наночастицы излучать яркий свет.

Созданные устройства, названные «LnLED», работают при относительно низком напряжении около 5 вольт. Они производят электролюминесценцию с чрезвычайно узкой спектральной шириной, обеспечивая гораздо более чистый свет по сравнению с квантовыми точками. «Чистота света во втором ближнем инфракрасном окне — огромное преимущество, — отметил доктор Чжунчжэн Юй. — Для биомедицинских сенсоров или оптической связи нужна очень резкая, специфическая длина волны. Наши устройства достигают этого без усилий».

Технология может найти применение в медицине (например, в крошечных инжектируемых или носимых светодиодах для обнаружения рака и мониторинга органов), а также в системах оптической связи и высокочувствительных детекторах. Первые образцы устройств уже продемонстрировали пиковую внешнюю квантовую эффективность более 0,6%.

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