Hybrydyzacja jako klucz
Sekretem okazało się połączenie nanocząstek lantanowców z organicznymi cząsteczkami. Naukowcy zastąpili izolujące powłoki na powierzchni nanocząstek barwnikiem o nazwie 9-ACA. To umożliwiło zajście specyficznego procesu: transferu energii trypletowej. W uproszczeniu, elektrony wprowadzone do warstwy organicznej tworzą tzw. ekscytony, które następnie przekazują swoją energię jonom lantanowców, powodując ich wzbudzenie i emisję światła.
Skuteczność tego transferu jest niezwykle wysoka i sięga od 98,8% do 99,8% dla różnych jonów (neodym, iterb, erb). Oznacza to, iż prawie cała energia elektryczna jest zamieniana na światło w pożądanym miejscu. To kolosalna zmiana w porównaniu z poprzednimi próbami, które wymagały tysięcy woltów, ogromnego ciśnienia lub bardzo wysokiej temperatury. Nowe hybrydowe diody potrzebują do pracy zaledwie 5 woltów, czyli napięcia porównywalnego z ładowarką do smartfona. Obniżenie wymagań energetycznych to jednak tylko jedna strona medalu. Prawdziwy postęp polega na tym, że te dotąd “nieme” elektrycznie materiały można wreszcie praktycznie wykorzystać w elektronice.
Wąskopasmowe światło w bliskiej podczerwieni
Najbardziej charakterystyczną cechą nowych diod jest niebywale wąskie widmo emitowanego światła. Dla różnych wariantów urządzeń szerokość ta mieści się w przedziale od 20 do 55 nanometrów. To ponad trzykrotnie mniej niż w przypadku konwencjonalnych, półprzewodnikowych LED, gdzie wartości często przekraczają 150 nm. W praktyce oznacza to światło niemal monochromatyczne – o jednej, bardzo czystej barwie. Taka precyzja ma fundamentalne znaczenie. W obrazowaniu medycznym pozwala dobrać długość fali optymalnie penetrującą konkretny rodzaj tkanki, co może znacząco poprawić rozdzielczość i głębokość skanowania. W komunikacji optycznej wąskie pasmo umożliwia upakowanie większej liczby kanałów przesyłowych bez wzajemnych zakłóceń, potencjalnie zwiększając przepustowość.
Wydajność kwantowa tych prototypowych diod w zakresie bliskiej podczerwieni przekracza obecnie 0,6%. Choć wartość ta nie robi wrażenia na pierwszy rzut oka, dla zupełnie nowej platformy technologicznej jest to obiecujący punkt startowy. Sami badacze wskazują na duży potencjał optymalizacji, na przykład poprzez konstrukcje typu rdzeń-powłoka, gdzie jedna nanocząstka otacza drugą. Taka architektura może znacząco zwiększyć zarówno jasność, jak i efektywność.
Gdzie można wykorzystać nową technologię?
Najbliższe perspektywy wdrożenia rysują się w dziedzinie medycyny. Światło bliskiej podczerwieni wnika w ludzkie tkanki znacznie głębiej niż światło widzialne, a jego wąskie, precyzyjne spektrum mogłoby zrewolucjonizować nieinwazyjne metody obrazowania. Kolejnym naturalnym obszarem jest optogenetyka, gdzie precyzyjna kontrola nad komórkami nerwowymi za pomocą światła wymaga właśnie takich źródeł o ściśle określonej długości fali. Metoda opracowana w Cambridge jest skalowalna. Można ją stosować do różnych par organicznych cząsteczek i jonów lantanowców, co otwiera szerokie pole do dalszych badań i ulepszeń. W przyszłości mogą z tego powstać nie tylko diody, lecz również elektrycznie pompowane lasery czy czułe sensory.
Czytaj też: Nowa rodzina kryształów zwróciła oczy całego naukowego świata. To przełom w projektowaniu materiałów
Trzeba jednak przyznać, iż na razie jasność emitowanego światła jest stosunkowo niska. Mimo to, sam fakt, że udało się w ogóle “ożywić” prądem te dotąd izolujące materiały, jest znaczącym krokiem. Perspektywa jest wyraźna: materiały, które przez dekady były jedynie ciekawostką laboratoryjną, mogą stać się sercem nowej generacji urządzeń optoelektronicznych.