科學家們開發出一種令人驚訝的新方法，能夠為通常無法導電的材料提供電力，為新一代超純近紅外光LED在醫療影像、通訊技術和先進感測器領域的應用打開了大門。

這項突破依賴微小的「分子天線」，能將電能導入絕緣奈米粒子。透過這種方法，劍橋大學卡文迪許實驗室的研究人員成功製造出首批由這些先前「無法供電」的材料所建構的LED。

分子天線為絕緣奈米粒子供電

這項研究的核心是鑭系元素摻雜奈米粒子（LnNPs），這類材料以產生極穩定且高純度的光而聞名。它們特別有價值，因為它們能在第二近紅外區域發光，這種光能夠深入穿透生物組織。這使得它們在醫療影像和感測技術方面極具吸引力。

儘管有這些光學優勢，這些奈米粒子卻有一個主要缺點。它們是電的絕緣體，這意味著它們無法輕易傳導電流。這個限制阻止了科學家將它們應用於LED等電子設備中。

劍橋大學的研究人員找到了一種克服這個障礙的方法，這在正常條件下曾被認為是不可能的壯舉。透過將特別挑選的有機分子附著在奈米粒子上，該團隊創建了一個能夠將電能轉移到絕緣材料中的系統。

「這些奈米粒子是極佳的光發射體，但我們無法用電力為它們供電。這是阻礙它們應用於日常技術的主要障礙，」領導卡文迪許實驗室研究的Akshay Rao教授表示。「我們基本上找到了一個為它們供電的後門。有機分子就像天線，捕捉電荷載子，然後透過一種特殊的、效率出奇高的三重態能量轉移過程，將其『傳遞』給奈米粒子。」

有機混合LED實現超過98%的能量轉移

為了讓這項技術奏效，科學家們建造了一種結合有機分子和無機奈米粒子的混合材料。他們將一種稱為9-蒽甲酸（9-ACA）的有機染料附著在LnNPs的表面。

在全新設計的LED內部，電荷被導向9-ACA分子，而不是奈米粒子本身。這些分子充當分子天線，吸收輸入的能量並進入激發的「三重態」。

在許多光學系統中，三重態被認為是「暗」的，因為它們的能量經常會損失。然而，在這個新設計中，能量以超過98%的效率轉移到奈米粒子內部的鑭系離子上。這個過程導致絕緣奈米粒子發出明亮、高純度的光。

超純近紅外光LED，低功耗

由此產生的設備，稱為「LnLEDs」，在約5伏特的相對較低電壓下運行。它們還產生光譜寬度極窄的電致發光，與量子點（QDs）等競爭技術相比，提供了更純淨的光輸出。

「我們的LnLEDs在第二近紅外窗口發出的光純度是一大優勢，」該研究的主要作者、卡文迪許實驗室博士後研究員Zhongzheng Yu博士說。「對於生物醫學感測或光學通訊等應用，您需要非常尖銳、特定的波長。我們的設備能夠輕鬆實現這一點，這是其他材料非常難以做到的。」

醫療影像和光學通訊潛力

這項技術可能帶來廣泛的未來應用。由於這些LED發出極其純淨的近紅外光，它們可能催生能夠深入觀察人體內部的新型醫療設備。

微小的可注射或可穿戴LnLEDs有可能幫助醫生以極高的精度檢測癌症、即時監測器官或啟動光敏感藥物。

狹窄且穩定的光發射還可以透過減少干擾，使更大數據量更清晰、更有效地傳輸，從而改善光學通訊系統。此外，這項技術可能支持能夠識別特定化學物質或生物標記物的高度靈敏的探測器。

第一代設備已展現強勁成果

研究團隊已經為其NIR-II LED實現了超過0.6%的峰值外部量子效率，這對於早期設備來說是一個令人印象深刻的結果。科學家們還表示，有明確的途徑可以進一步提高性能。

「這僅僅是個開始。我們為光電領域解鎖了一個全新的材料類別，」卡文迪許實驗室博士後研究員Yunzhou Deng博士補充道。「基本原理非常通用，我們現在可以探索無數有機分子和絕緣奈米材料的組合。這將使我們能夠為我們尚未想到的應用創建具有量身定制特性的設備。」