改变一切的“不可能”LED新突破

剑桥大学卡文迪许实验室的研究人员发现了一种方法，可以将电流导入通常不导电的材料中，这一成果此前被认为在正常条件下是不可能实现的。通过附着精心选择的、充当微型天线的有机分子，他们用绝缘纳米颗粒制造出了首个发光二极管（LED）。他们发表在《自然》杂志上的研究，为新一代深层生物医学成像和高速数据传输设备指明了方向。

该团队重点研究了镧系掺杂纳米颗粒（LnNPs），这是一类众所周知的材料，因其能产生极其纯净且稳定的光而备受青睐。这些纳米颗粒在第二近红外区域尤其有效，能够穿透深层生物组织。然而，到目前为止，它们的电绝缘特性意味着无法将其整合到LED等标准电子元件中。

“这些纳米颗粒是出色的发光体，但我们无法用电为它们供电。这是阻碍它们应用于日常技术的主要障碍，”领导这项研究的卡文迪许实验室教授阿克沙伊·拉奥说。“我们实质上找到了为它们供电的‘后门’。有机分子就像天线一样，捕获电荷载流子，然后通过一种特殊的三重态能量转移过程将电荷‘悄悄’传递给纳米颗粒，这个过程的效率高得惊人。”

有机-无机杂化设计与分子天线
为了克服绝缘问题，研究人员创建了一种有机-无机杂化结构。他们将一种带有官能团锚定基的有机染料——9-蒽羧酸（9-ACA）附着在LnNPs的表面。在新型LED中，电荷被注入这些充当分子天线的9-ACA分子中，而非直接注入纳米颗粒。

一旦被激发，9-ACA分子就会进入激发三重态。在许多光学系统中，这种三重态被认为是“暗态”，意味着其能量通常会损失而非转化为有用的光。但在这种设计中，三重态的能量以超过98%的效率转移到绝缘纳米颗粒内部的镧系离子中，使它们发出亮度惊人的光。

低电压下的超纯近红外光
使用这种方法，该团队的“LnLEDs”可以在约5伏的相对较低工作电压下开启。同时，它们产生的电致发光具有极窄的光谱宽度。这使得其发光比包括量子点（QDs）在内的许多竞争技术纯净得多。

“我们的LnLEDs在第二近红外窗口发出的光的纯度是一个巨大优势，”该研究的主要作者之一、卡文迪许实验室的博士后研究员余中正博士说。“对于生物医学传感或光通信等应用，你需要非常尖锐、特定的波长。我们的设备毫不费力就能实现这一点，而这用其他材料很难做到。”

生物医学成像、光通信和传感潜力
由于这些电动纳米颗粒可以发出如此纯净、清晰的光，它们有望成为先进医疗技术的基础。微小的LnLEDs（可能是可注射的或内置在可穿戴设备中）可用于深层组织成像，以发现癌症、实时跟踪器官功能，或高精度触发光激活药物。

它们狭窄的光谱输出也使其在光通信领域具有吸引力，纯净、稳定的波长有助于在减少干扰的情况下传输更多数据。此外，该平台还可支持高灵敏度传感器，用于检测非常特定的化学物质或生物标志物，从而改进诊断工具和环境监测。

第一代性能与未来方向
在早期测试中，研究人员的NIR-II LED实现了超过0.6%的峰值外量子效率。对于首个由电动绝缘纳米颗粒制成的设备而言，这一性能被认为非常有前景。该团队还确定了在未来设计中进一步提高效率的明确途径。

“这仅仅是个开始。我们为光电子学解锁了一整个新的材料类别，”卡文迪许实验室的博士后研究员邓云舟博士补充道。“这一基本原理非常通用，我们现在可以探索无数有机分子和绝缘纳米材料的组合。这将使我们能够创造出具有定制特性的设备，用于我们甚至还未想到的应用。”

这项工作部分得到了英国研究与创新署（UKRI）前沿研究基金（EP/Y015584/1）和博士后个人奖学金（玛丽·斯克łodowska-居里奖学金计划）的支持。