Wetenschappers van de Universiteit van Cambridge zijn erin geslaagd isolerende nanodeeltjes van stroom te voorzien met behulp van moleculaire antennes en zo een extreem zuivere nabij-infrarood-led te ontwikkelen. De resultaten van dit onderzoek, gepubliceerd in de uitgave van *Nature* van 19 november, markeren de ontwikkeling van een nieuwe klasse ultrazuivere nabij-infrarood-leds met potentiële toepassingen in medische diagnostiek, optische communicatiesystemen en sensortechnologieën. Het onderzoeksteam van het Cavendish Laboratory van de Universiteit van Cambridge richt zich op de studie van nano-opto-elektronische materialen en apparaten.
Het onderzoeksteam ontdekte dat door organische moleculen, met name 9-antraceencarbonzuur (9-ACA), te koppelen aan met cerium gedoteerde zeldzame-aarde nanodeeltjes (LnNP's), deze moleculen fungeren als miniatuurantennes die effectief elektrische energie overbrengen naar deze doorgaans niet-geleidende deeltjes. Deze innovatieve methode zorgt ervoor dat deze nanodeeltjes, die lange tijd niet compatibel waren met elektronische componenten, voor het eerst licht kunnen uitzenden.
De kern van het onderzoek ligt bij met cerium gedoteerde nanodeeltjes (LnNP's), een klasse materialen die bekendstaat om hun extreem zuivere en stabiele licht, met name in het tweede nabij-infraroodbereik, dat door dicht biologisch weefsel heen kan dringen. Ondanks deze voordelen heeft hun gebrek aan elektrische geleidbaarheid lange tijd hun gebruik in elektronische componenten zoals leds verhinderd.
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 LnNP's. In de geconstrueerde LED wordt de lading naar de 9-ACA-moleculen geleid, die als moleculaire antennes fungeren, in plaats van de lading rechtstreeks naar de nanodeeltjes over te brengen.
Eenmaal geactiveerd, komen deze moleculen in een geëxciteerde triplettoestand terecht. In veel optische systemen wordt deze triplettoestand doorgaans beschouwd als een "dark state" en wordt deze niet gebruikt; in dit ontwerp wordt echter meer dan 98% van de energie van de triplettoestand overgedragen aan de ceriumionen in de isolerende nanodeeltjes, wat resulteert in heldere en efficiënte lichtemissie. Deze nieuwe methode stelt de LnLED's van het team in staat om te werken op een lage spanning van ongeveer 5 volt en elektroluminescentie te produceren met een extreem smalle spectrale breedte en een maximale externe kwantumefficiëntie van meer dan 0,6%, waardoor ze aanzienlijk beter zijn dan concurrerende technologieën zoals quantum dots.
Deze ontdekking opent een breed scala aan potentiële toepassingen voor toekomstige medische apparaten. Miniatuur, injecteerbare of draagbare LnLED's zouden kunnen worden gebruikt voor deep tissue imaging om ziekten zoals kanker op te sporen, orgaanfuncties in realtime te monitoren of lichtgevoelige medicijnen nauwkeurig te activeren. De zuiverheid en smalle spectrale breedte van het uitgezonden licht bieden ook perspectief voor snellere en duidelijkere optische communicatiesystemen, wat mogelijk leidt tot efficiëntere gegevensoverdracht met minder interferentie.