Klucz do rozwiązania tej naukowej zagadki krył się w specjalnie zaprojektowanych organicznych cząsteczkach półprzewodnikowych, które posłużyły jako swego rodzaju molekularni pośrednicy. Naukowcy z National University of Singapore oraz uczelni w Chinach opracowali metodę owijania izolujących nanokryształów w funkcjonalizowane kwasy 2-(difenylofosforylo)benzoesowe, szczególnie wariant CzPPOA. Te ligandy pełnią podwójną funkcję – zarówno transportują ładunek elektryczny, jak i zbierają ekscytony, skutecznie rozdzielając transport ładunku od emisji fotonów.
Jak rozświetlić izolator?
Mechanizm działania przypomina nieco sztafetę, gdzie ligandy przejmują elektrony i dziury pod wpływem pola elektrycznego, by następnie przekazać ich energię do jonów lantanowców ukrytych w rdzeniu nanokryształu. Cała ta elegancka konstrukcja ma zaledwie 4 nm średnicy i składa się z NaGdF4 z domieszkami terbu, europu lub neodymu. Dzięki temu obejście fundamentalnego ograniczenia materiału okazało się możliwe.
Czytaj też: Ferromagnetyczny pościg, czyli co się dzieje, gdy światło wywołuje ruch bez reakcji
Wyniki badań opublikowane w Nature pokazują imponujące liczby. Wydajność prądowa wyniosła 9,99 cd/A, wydajność energetyczna 7,66 lm/W, a wykorzystanie ekscytonów osiągnęło 88 proc. Napięcie włączenia urządzenia to zaledwie 4,1 V. Testy spektroskopowe ujawniły ultraszybkie przejście międzysystemowe poniżej jednej nanosekundy oraz transfer energii tripletowej na poziomie 96,7 proc. W porównaniu z wcześniejszymi próbami używającymi kwasu oleinowego, luminancja wzrosła 71-krotnie.
Co ciekawe, nowa technologia pozwala na regulację koloru emitowanego światła bez konieczności modyfikowania struktury samego urządzenia. Wystarczy zmienić domieszkę lantanowca i precyzyjnie kontrolować jej stężenie, by uzyskać emisję od zielonej, przez ciepłą biel, aż po bliską podczerwień powyżej 1000 nm. Takie modułowe podejście może znacznie uprościć projektowanie przyszłych urządzeń optoelektronicznych.
Prof. Liu Xiaogang z NUS wspominał, że na początku badań w 2011 r. prąd elektryczny ledwo wywoływał jakąkolwiek mierzalną emisję. Fascynacja możliwościami jednak napędzała zespoły z National University of Singapore, Heilongjiang University, Tsinghua University oraz City University of Hong Kong do dalszych prób. Ta wytrwałość ostatecznie przyniosła efekty, choć droga do sukcesu była długa i wymagała nie lada cierpliwości.
Mimo niewątpliwego przełomu, technologia wciąż ma swoje ograniczenia. Jasność pozostaje limitowana długimi czasami życia radiacyjnego charakterystycznymi dla przejść f-f lantanowców. Wstrzykiwanie i transport ładunku są utrudnione przez izolacyjną naturę rdzenia nanocząsteczki, co ogranicza mobilność nośników. Obecna prosta trójwarstwowa struktura urządzenia również nie wykorzystuje pełnego potencjału materiału.
Patrząc z perspektywy czasu, po 14 latach badań naukowcom udało się dokonać czegoś, co jeszcze niedawno wydawało się niemożliwe – sprawili, że izolator zaczął świecić. Choć przed technologią jeszcze długa droga rozwoju, stanowi ona obiecujący pierwszy krok w kierunku nowej generacji trwałych i regulowanych technologii świetlnych. Być może za kilka lat takie rozwiązania znajdą zastosowanie w urządzeniach, o których dziś nawet nie myślimy, choć na spektakularne komercjalizacje przyjdzie nam jeszcze poczekać.