Puhtaampaa valoa kuin kvanttipisteistä

Cambridgen yliopiston Cavendishin laboratorion tutkijat ovat kehittäneet uuden menetelmän eristävien nanopartikkelien sähköistämiseksi, mitä on aiemmin pidetty mahdottomana normaaleissa olosuhteissa.

Nature-lehdessä julkaistu läpimurto avaa oven uuden sukupolven laitteille, joiden sovellukset vaihtelevat syväkudoskuvantamisesta nopeaan tiedonsiirtoon.

Tutkimuksen kohteena on lantanidilla seostettujen nanopartikkelien (LnNP) materiaaliluokka. Nämä hiukkaset tunnetaan poikkeuksellisesta kyvystään emittoida uskomattoman puhdasta ja vakaata valoa, erityisesti toisella lähi-infrapuna-alueella, joka voi tunkeutua syviin biologisiin kudoksiin.

Suurin este on kuitenkin aina ollut niiden sähköä eristävä luonne, mikä tarkoittaa, että niitä ei voitu sisällyttää nykyaikaisiin elektronisiin laitteisiin, kuten ledeihin.

"Nämä nanopartikkelit ovat loistavia valonlähteitä, mutta emme kyenneet käyttämään niitä sähköisesti. Se oli merkittävä este niiden käytölle jokapäiväisessä teknologiassa", sanoi tutkimusta johtanut professori Akshay Rao.

"Olemme pohjimmiltaan löytäneet takaoven niiden virransyötteeksi. Orgaaniset molekyylit toimivat kuin antennit, jotka nappaavat varauksenkuljettajia ja sitten 'kuiskaavat' ne nanopartikkelille erityisen tripletti-energiansiirtoprosessin kautta, mikä on yllättävän tehokasta."

Tiimin innovatiivinen ratkaisu oli luoda orgaanis-epäorgaaninen hybridimateriaali. He kiinnittivät LnNP-hiukkasten pintaan orgaanisen väriaineen, jossa on funktionaalinen ryhmäankkuri, nimeltään 9-antraseenikarboksyylihappo (9-ACA).

Kun varauksia injektoidaan näihin 9-ACA-molekyyleihin, ne toimivat molekyyliantenneina itse nanopartikkelien sijaan. Molekyylit kaappaavat tämän energian ja siirtyvät virittyneeseen tripletti tilaan.

Normaalisti triplettitilaa pidetään "pimeänä" tai hukkaan menevänä monissa optisissa järjestelmissä. Mutta nyt tripletin alun energia siirtyy yli 98 %:n hyötysuhteella eristävien nanopartikkelien sisällä oleviin lantanidi-ioneihin, jolloin ne valaisevat kirkkaasti.

Tämä uusi menetelmä mahdollistaa tiimin "LnLEDien" kytkemisen päälle noin 5 voltin käyttöjännitteellä ja elektroluminesenssin tuottamisen poikkeuksellisen kapealla spektrileveydellä, mikä tekee siitä huomattavasti puhtaampaa kuin kilpailevat teknologiat, kuten kvanttipisteet (QD).

"Tämä on vasta alkua. Olemme avanneet kokonaan uudenlaisen materiaaliluokan optoelektroniikkaa varten", lisäsi Cavendishin laboratorion postdoc-tutkija, tohtori Yunzhou Deng.

"Perusperiaate on niin monipuolinen, että voimme nyt tutkia lukemattomia orgaanisten molekyylien ja eristävien nanomateriaalien yhdistelmiä. Tämä antaa meille mahdollisuuden luoda räätälöityjä ominaisuuksia omaavia laitteita sovelluksiin, joita emme ole vielä edes ajatelleet."

Aiheista aiemmin:

Uusia materiaaliominaisuuksia elektroniikalle

Hiili ja pii jakavat ja yhdistävät fotoneja

Ennätyksellinen kvanttitehokkuus sirujen ledeille