Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ πέτυχαν κάτι που μέχρι σήμερα θεωρούνταν επιστημονικά αδύνατο: να διοχετεύσουν ηλεκτρική ενέργεια σε μονωτικά νανοσωματίδια για να δημιουργήσουν μια εντελώς νέα κατηγορία διόδων εκπομπής φωτός (LED). Η εξέλιξη αυτή ανοίγει τον δρόμο για μια νέα γενιά υπέρυθρων LED εξαιρετικής καθαρότητας, με εφαρμογές στην ιατρική απεικόνιση, τις οπτικές τηλεπικοινωνίες και τους προηγμένους αισθητήρες.
Η νέα μέθοδος βασίζεται στη χρήση μικροσκοπικών «οργανικών κεραιών» που διοχετεύουν το ηλεκτρικό ρεύμα στα μονωτικά νανοσωματίδια. Με αυτόν τον τρόπο, οι επιστήμονες του Cavendish Laboratory κατάφεραν να κατασκευάσουν τα πρώτα LED από υλικά που μέχρι τώρα θεωρούνταν εντελώς ακατάλληλα για ηλεκτρονικές συσκευές, καθώς δεν επιτρέπουν τη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος.
Οργανικές κεραίες δίνουν ζωή σε μονωτικά υλικά
Η έρευνα, η οποία δημοσιεύτηκε στο έγκριτο επιστημονικό περιοδικό Nature, επικεντρώνεται σε νανοσωματίδια εμπλουτισμένα με λανθανίδες (LnNPs). Τα συγκεκριμένα υλικά είναι γνωστά για την παραγωγή εξαιρετικά σταθερού και καθαρού φωτός. Εκπέμπουν στη δεύτερη περιοχή του εγγύς υπέρυθρου (NIR-II), ένα φάσμα φωτός που μπορεί να διεισδύσει βαθιά στους βιολογικούς ιστούς χωρίς να τους καταστρέφει, γεγονός που τα καθιστά ιδανικά για ιατρικές διαγνώσεις και βιοαισθητήρες.
Παρά τα σημαντικά οπτικά τους πλεονεκτήματα, τα LnNPs παρουσίαζαν ένα ανυπέρβλητο ελάττωμα: είναι ηλεκτρικοί μονωτές. Αυτό σήμαινε ότι ήταν αδύνατο να τροφοδοτηθούν απευθείας με ηλεκτρικό ρεύμα, περιορίζοντας τη χρήση τους αποκλειστικά σε εργαστηριακές συνθήκες όπου η διέγερσή τους γινόταν μέσω εξωτερικών πηγών φωτός (όπως laser).
Η ομάδα του Κέιμπριτζ παρέκαμψε αυτό το εμπόδιο συνδέοντας ειδικά επιλεγμένα οργανικά μόρια στην επιφάνεια των νανοσωματιδίων. Αυτά τα μόρια λειτουργούν ως ηλεκτρικές γέφυρες που μεταφέρουν την ενέργεια στο εσωτερικό του μονωτή.
Μια «πίσω πόρτα» για την ηλεκτρική τροφοδοσία
Όπως εξηγεί ο Καθηγητής Akshay Rao, επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας στο Cavendish Laboratory:
«Αυτά τα νανοσωματίδια είναι φανταστικοί πομποί φωτός, αλλά δεν μπορούσαμε να τα τροφοδοτήσουμε με ηλεκτρισμό. Ήταν ένα σημαντικό εμπόδιο που εμπόδιζε τη χρήση τους στην καθημερινή τεχνολογία. Στην πραγματικότητα, βρήκαμε μια "πίσω πόρτα" για να τα ενεργοποιήσουμε. Τα οργανικά μόρια λειτουργούν σαν κεραίες, παγιδεύουν τα ηλεκτρικά φορτία και στη συνέχεια "ψιθυρίζουν" την ενέργεια στο νανοσωματίδιο μέσω μιας εξαιρετικά αποτελεσματικής διαδικασίας μεταφοράς ενέργειας τριπλής κατάστασης.»
Για να επιτύχουν αυτή τη σύζευξη, οι ερευνητές δημιούργησαν ένα υβριδικό υλικό, επικαλύπτοντας τα ανόργανα νανοσωματίδια με μια οργανική χρωστική ουσία που ονομάζεται 9-ανθρακενοκαρβοξυλικό οξύ (9-ACA). Στα νέα LED (τα οποία ονομάστηκαν LnLEDs), τα ηλεκτρικά φορτία διοχετεύονται στα μόρια 9-ACA αντί για τα ίδια τα νανοσωματίδια. Τα μόρια απορροφούν την ενέργεια, εισέρχονται σε μια διεγερμένη «τριπλή κατάσταση» και στη συνέχεια μεταφέρουν αυτήν την ενέργεια στα ιόντα λανθανιδών στο εσωτερικό των νανοσωματιδίων με απόδοση που ξεπερνά το 98%.
Εξαιρετική καθαρότητα φωτός με ελάχιστη κατανάλωση ενέργειας
Οι νέες συσκευές LnLED λειτουργούν σε σχετικά χαμηλή τάση, περίπου στα 5 volts, και παράγουν ηλεκτροφωταύγεια με εξαιρετικά στενό φασματικό εύρος. Αυτό σημαίνει ότι το εκπεμπόμενο φως είναι πολύ πιο καθαρό και συγκεκριμένο σε σύγκριση με άλλες ανταγωνιστικές τεχνολογίες, όπως οι κβαντικές κουκκίδες (quantum dots).
Ο Δρ. Zhongzheng Yu, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Cavendish Laboratory και βασικός συγγραφέας της μελέτης, επισημαίνει τη σημασία αυτής της καθαρότητας:
«Η καθαρότητα του φωτός στο δεύτερο παράθυρο του εγγύς υπέρυθρου που εκπέμπουν τα LnLEDs μας είναι ένα τεράστιο πλεονέκτημα. Για εφαρμογές όπως η βιοϊατρική ανίχνευση ή οι οπτικές επικοινωνίες, απαιτείται ένα πολύ συγκεκριμένο και καθαρό μήκος κύματος. Οι συσκευές μας το επιτυγχάνουν αυτό αβίαστα, κάτι που είναι εξαιρετικά δύσκολο να γίνει με άλλα υλικά.»
Από την ιατρική απεικόνιση έως τις τηλεπικοινωνίες επόμενης γενιάς
Οι πιθανές εφαρμογές αυτής της τεχνολογίας είναι τεράστιες. Λόγω της ικανότητας του υπέρυθρου φωτός να διεισδύει βαθιά στο ανθρώπινο σώμα, μικροσκοπικά LnLEDs θα μπορούσαν να ενσωματωθούν σε φορετές (wearable) ή ακόμη και σε ενέσιμες συσκευές. Αυτό θα επέτρεπε στους γιατρούς να ανιχνεύουν καρκινικούς όγκους, να παρακολουθούν τη λειτουργία των οργάνων σε πραγματικό χρόνο ή να ενεργοποιούν φωτοευαίσθητα φάρμακα με πρωτοφανή ακρίβεια.
Στον τομέα των οπτικών επικοινωνιών, η σταθερή και στενή εκπομπή φωτός μπορεί να μειώσει σημαντικά τις παρεμβολές, επιτρέποντας τη μεταφορά πολύ μεγαλύτερου όγκου δεδομένων με μεγαλύτερη σαφήνεια και ταχύτητα.
Η πρώτη γενιά αυτών των συσκευών έχει ήδη επιτύχει εξωτερική κβαντική απόδοση άνω του 0,6%, ένα άκρως εντυπωσιακό αποτέλεσμα για πρώιμη φάση ανάπτυξης. Η ερευνητική ομάδα τονίζει ότι υπάρχουν ξεκάθαροι τρόποι για να βελτιωθεί ακόμη περισσότερο η απόδοσή τους στο άμεσο μέλλον.
Όπως σημειώνει ο Δρ. Yunzhou Deng, επίσης μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Cavendish Laboratory:
«Αυτό είναι μόνο η αρχή. Ξεκλειδώσαμε μια εντελώς νέα κατηγορία υλικών για την οπτοηλεκτρονική. Η βασική αρχή είναι τόσο ευέλικτη που μπορούμε πλέον να εξερευνήσουμε αμέτρητους συνδυασμούς οργανικών μορίων και μονωτικών νανοϋλικών. Αυτό θα μας επιτρέψει να δημιουργήσουμε συσκευές με προσαρμοσμένες ιδιότητες για εφαρμογές που δεν έχουμε καν φανταστεί ακόμη.»