Новая технология LED на лантанидах: учёные добились свечения непроводящих наночастиц
Физики из Кавендишской лаборатории Кембриджского университета продемонстрировали принципиально новый способ работы светодиодов. Они сообщили, что смогли пропустить электрический ток через наночастицы, которые ранее считались неспособными проводить электричество, и добиться от них стабильного излучения света.
Речь идёт об изолирующих наночастицах лантанидов (lanthanide nanoparticles, LnNPs) — соединениях редкоземельных элементов, таких как неодим и иттербий. Эти материалы давно известны тем, что ярко светятся при оптическом возбуждении, однако напрямую подключить их к электрической цепи не удавалось: заряд не доходил до ионов лантанидов внутри частицы. Ранее это удавалось преодолеть лишь при экстремально высоких температурах или напряжениях, что делало практическое применение невозможным.
Ключевым ограничением считался большой энергетический зазор таких частиц, из-за которого они использовались лишь в узких задачах — например, в оптической визуализации биологических тканей, где электрическое возбуждение не требуется.
В новой работе учёные предложили иной подход. Они заменили изолирующий поверхностный слой наночастиц на органические молекулы красителя 9-ACA. Эти молекулы образуют гибридную структуру с наночастицей и позволяют передавать энергию с помощью механизма триплетного переноса энергии — хорошо изученного процесса в органической электронике.
После такой модификации исследователям удалось инжектировать электроны в органический слой. Там формируются экситоны — связанные пары электрона и дырки, — энергия которых затем передаётся ионам лантанидов внутри наночастицы. В результате частицы начинают излучать свет при прямом электрическом возбуждении.
Созданные на этой основе устройства — их авторы называют LnLED — излучают ближний инфракрасный свет с крайне узкой спектральной линией. По чистоте спектра и эффективности они превосходят большинство существующих органических инфракрасных светодиодов, что ранее считалось недостижимым для изолирующих материалов.
Авторы работы отмечают, что предложенный метод не привязан к конкретному соединению и может быть масштабирован на другие изолирующие наноматериалы. В перспективе такие гибридные светодиоды могут использоваться в биомедицинских приборах, системах глубинной визуализации и других областях оптоэлектроники, где важны стабильность излучения и точный контроль длины волны.