Wetenschappers van de Universiteit van Cambridge zijn erin geslaagd isolerende nanodeeltjes van stroom te voorzien met behulp van moleculaire antennes, waarmee ze een extreem zuivere nabij-infrarood-LED hebben ontwikkeld. De resultaten van dit onderzoek, gepubliceerd in het nummer van 19 november van *Nature*, markeren de creatie van een nieuwe klasse ultrazuivere nabij-infrarood-LED's met potentiële toepassingen in medische diagnostiek, optische communicatiesystemen en sensortechnologieën. Het onderzoeksteam van het Cavendish Laboratory aan de Universiteit van Cambridge richt zich op de studie van nano-optoelektronische materialen en apparaten.
Het onderzoeksteam ontdekte dat door organische moleculen, met name 9-antraceencarbonzuur (9-ACA), te hechten aan met cerium gedoteerde zeldzame-aardemetalen-nanodeeltjes (LnNPs), deze moleculen fungeren als miniatuurantennes en zo elektrische energie overdragen aan deze normaal gesproken niet-geleidende deeltjes. Deze innovatieve methode maakt het voor deze nanodeeltjes, die lange tijd ongeschikt waren voor elektronische componenten, voor het eerst mogelijk om licht uit te stralen.
De kern van het onderzoek ligt in met cerium gedoteerde nanodeeltjes (LnNPs), een materiaalklasse die bekend staat om het produceren van extreem zuiver en stabiel licht, met name in het tweede nabij-infraroodgebied, dat dicht biologisch weefsel kan doordringen. Ondanks deze voordelen heeft hun gebrek aan elektrische geleidbaarheid lange tijd hun gebruik in elektronische componenten zoals LED's belemmerd.
Het onderzoeksteam loste dit probleem op door een hybride materiaal te ontwikkelen dat organische en anorganische componenten combineert. Ze bevestigden organische kleurstoffen met functionele verankeringsgroepen aan het buitenoppervlak van de LnNPs. In de geconstrueerde LED wordt de lading naar de 9-ACA-moleculen geleid, die fungeren als moleculaire antennes, in plaats van dat de lading rechtstreeks naar de nanodeeltjes wordt overgedragen.
Eenmaal geactiveerd, komen deze moleculen in een aangeslagen triplettoestand terecht. In veel optische systemen wordt deze triplettoestand doorgaans als een donkere toestand beschouwd en niet benut; in dit ontwerp wordt echter meer dan 98% van de energie overgedragen van de triplettoestand naar de ceriumionen in de isolerende nanodeeltjes, wat resulteert in heldere en efficiënte lichtemissie. Deze nieuwe methode stelt het team in staat om met hun LnLEDs te werken bij een lage spanning van ongeveer 5 volt en elektroluminescentie te produceren met een extreem smalle spectrale breedte en een piek externe kwantumrendement van meer dan 0,6%, waardoor ze aanzienlijk beter zijn dan concurrerende technologieën zoals kwantumstippen.
Deze ontdekking opent een breed scala aan potentiële toepassingen voor toekomstige medische apparaten. Miniatuur, injecteerbare of draagbare LnLED's zouden gebruikt kunnen worden voor beeldvorming van diep weefsel om ziekten zoals kanker op te sporen, orgaanfuncties in realtime te monitoren of lichtgevoelige medicijnen nauwkeurig toe te dienen. De zuiverheid en smalle spectrale breedte van het uitgezonden licht bieden ook perspectief voor snellere en duidelijkere optische communicatiesystemen, wat mogelijk kan leiden tot efficiëntere gegevensoverdracht met minder storingen.
