ด้วยการรวมแฝดโมเลกุลเข้ากับอนุภาคนาโนที่เจือด้วยแลนทาไนด์ นักวิจัยกำลังสร้างไฟ LED NIR-II ที่ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าตัวแรกจากวัสดุฉนวน
การศึกษา: แฝดสามรวมอนุภาคนาโนที่เจือด้วยแลนทาไนด์ที่เป็นฉนวนไฟฟ้า แหล่งที่มาของภาพ: Vershinin89/Shutterstock.com
ในระยะหลังนี้ ธรรมชาติ ในบทความนี้ นักวิทยาศาสตร์ได้ประกาศการพิสูจน์แนวคิดครั้งแรกเกี่ยวกับไดโอดเปล่งแสง (LED) ที่ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าโดยอาศัยอนุภาคนาโนที่เจือด้วยแลนทาไนด์ (LnNPs) ซึ่งเป็นเส้นทางใหม่ในการปล่อยคลื่นความถี่แคบในหน้าต่างใกล้อินฟราเรดที่สอง (NIR-II)
อนุภาคนาโนที่เจือด้วยแลนทาไนด์มีคุณค่าสำหรับความกว้างของเส้นตรงที่แคบ ความเสถียรต่อแสงสูง และการแผ่รังสีที่ไม่กะพริบและไม่ฟอกขาวในช่วง NIR-II คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้น่าสนใจสำหรับการถ่ายภาพทางชีวภาพ การตรวจจับ และการสื่อสารด้วยแสง
อย่างไรก็ตาม โฮสต์ที่เป็นฉนวนฟลูออไรด์หรือออกไซด์จะมีช่องว่างแถบความถี่ขนาดใหญ่ (~8 eV) ซึ่งป้องกันการฉีดประจุอย่างมีประสิทธิภาพ และจำกัดการใช้งานในอุปกรณ์ที่ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า
แอปพลิเคชัน LnNP ที่มีอยู่ส่วนใหญ่อาศัยการกระตุ้นด้วยแสง งานใหม่นี้ได้แก้ไขปัญหาที่มีมายาวนานนี้โดยการใช้โมเลกุลอินทรีย์เป็น “สะพาน” ทางไฟฟ้าระหว่างประจุที่ฉีดเข้าไปกับไอออนของแลนทาไนด์ ซึ่งช่วยให้สามารถปล่อย NIR-II ที่ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าจากวัสดุที่ไม่ใช่เซมิคอนดักเตอร์
ดูรายละเอียดทั้งหมด: ดาวน์โหลด PDF ที่นี่!
แนวคิดและการออกแบบตัวเครื่อง
ทีมงานสร้างการออกแบบนาโนไฮบริดโดยการรวมกรด 9-anthracenecarboxylic (9-ACA) ที่เป็นสีย้อมอินทรีย์เข้ากับ NaGdF4 อนุภาคนาโนเจือ N/A3+ใช่3+หรือเออร์3+– 9-ACA ถูกเลือกเนื่องจากพลังงานแฝดของมัน (~1-8 eV) สอดคล้องกับระดับพลังงานขั้นบันไดของไอออนแลนทาไนด์เหล่านี้
อนุภาคนาโนไฮบริด LnNP@9-ACA เหล่านี้กลายเป็นชั้นเปล่งแสงในสแต็ก LED หลายชั้นบน ITO/แก้ว
อิเล็กตรอนและรูถูกฉีดออกจากหน้าสัมผัส ซึ่งขนส่งโดย TmPyPB (ETL) และ poly-TPD (HTL) และรวมตัวกันใหม่บนลิแกนด์ 9-ACA เป็นหลัก สิ่งนี้จะสร้าง excitons singlet และ triplet บนโมเลกุลอินทรีย์
ขั้นตอนที่สำคัญของพลังงานคือการถ่ายโอนพลังงานแฝด (TET) จาก T1 สถานะ 9-ACA กับแลนทาไนด์ไอออนในกระบวนการ Dexter-type ที่ต้องการความใกล้ชิดเชิงพื้นที่และการทับซ้อนกันของวงโคจร
จากนั้นแลนทาไนด์จะปล่อยโฟตอนออกมาเป็น NIR-II ซึ่งแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นแสงอินฟราเรดย่านความถี่แคบได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยใช้โฮสต์ที่เป็นฉนวน
การตรวจสอบระบบไฮบริด
เพื่อยืนยันการก่อตัวของ LnNP ที่สม่ำเสมอ (~ 6 นาโนเมตร) และส่วนตัดขวางที่สะอาดของอุปกรณ์หลายชั้น นักวิจัยได้ใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน (TEM) และ HAADF-STEM
การเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ (XRD) ระบุเฟสหกเหลี่ยมของ NaGdF4 โฮสต์ ในขณะที่ฟูเรียร์แปลงอินฟราเรดสเปกโทรสโกปี (FTIR) ซึ่งสนับสนุนโดยการคำนวณ DFT แสดงให้เห็นว่า 9-ACA ผูกกับ Ln3? พื้นผิว. วางและแทนที่ลิแกนด์กรดโอเลอิกดั้งเดิมบางส่วน
การวิเคราะห์โดยใช้ FTIR ประมาณการความครอบคลุมพื้นผิว 9-ACA อยู่ที่ 6.8% (NdNP), 1.0% (YbNP) และ 3.6% (ErNP) ซึ่งบ่งชี้ว่าไซต์ส่วนใหญ่ยังคงถูกปกคลุมไปด้วยกรดโอเลอิก แต่มี 9-ACA ที่เพียงพอ เพื่อเป็นสื่อกลางในการถ่ายโอนพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ
การวัดด้วยแสงโฟโตลูมิเนสเซนซ์ในสภาวะคงที่ (PL) แสดงให้เห็นว่าการจับคู่ของ 9-ACA กับ LnNP ช่วยเพิ่มการปล่อย NIR-II อย่างมากภายใต้การกระตุ้นด้วยรังสียูวี ด้วยการปรับปรุง 6.6 ×, 34.1 × และ 23.6 × สำหรับระบบ Nd, Yb และ Er ตามลำดับ
การนับโฟตอนเดี่ยวที่สัมพันธ์กับเวลา (TCSPC) และสเปกโทรสโกปีการดูดกลืนแสงชั่วคราวเปิดเผยว่า:
- อายุการใช้งานของเสื้อกล้าม 9-ACA จะลดลงอย่างมากเมื่อเชื่อมโยงกับ LnNP ซึ่งบ่งชี้ถึงการเปลี่ยนแปลงระบบระหว่างระบบที่เร็วขึ้น
- การเจริญเติบโตและการสลายตัวของแฝดสามแสดง TET ที่มีประสิทธิภาพมากตั้งแต่ 9-ACA ไปจนถึงแลนทาไนด์ โดยมีประสิทธิภาพการถ่ายโอนสูงกว่า 98% ขึ้นอยู่กับไอออนจำเพาะ
- ออกซิเจนระงับ NIR PL อย่างรุนแรง ซึ่งสอดคล้องกับการกระตุ้นแบบ Triplet
การวัดเหล่านี้ร่วมกันยืนยันว่า exciton แฝดบนลิแกนด์ แทนที่จะถ่ายโอนเสื้อกล้ามโดยตรง มีอิทธิพลเหนือเส้นทางการกระตุ้นไปยังไอออนแลนทาไนด์
ประสิทธิภาพของไดโอด LnNP
LED ที่ใช้ LnNP (LnLED) แสดงอิเล็กโทรลูมิเนสเซนซ์ NIR-II แบบแคบที่มีความยาวคลื่นสูงสุดที่ประมาณ 1,058 นาโนเมตรสำหรับ NdLED, 976 นาโนเมตรสำหรับ YbLED และ 1,533 นาโนเมตรสำหรับ ErLED
ค่าความกว้างเต็มที่ที่ครึ่งหนึ่งสูงสุด (FWHM) อยู่ที่ 20 นาโนเมตร (Nd), 43 นาโนเมตร (Yb) และ 55 นาโนเมตร (Er) ซึ่งแคบกว่าการปล่อย NIR-II ทั่วไปจากจุดควอนตัมหรือตัวปล่อยอินทรีย์ซึ่งมักจะเกิน 150 นาโนเมตรมาก
แรงดันไฟฟ้าในการเปิดเครื่องกำหนดไว้ที่การแผ่รังสีซีอาร์ 0.01 mW-1ม-2อยู่ที่ประมาณ 5V และอุปกรณ์ทำงานที่สูงถึง 15V โดยไม่มีความล้มเหลวร้ายแรงในการทดสอบ
การแผ่รังสีสูงสุดถึง ~1.2 mW ar-1 ม-2 สำหรับไดโอด Nd และ Yb และ ~0.4 mW sr-1 ม-2 สำหรับเอ้อไดโอด อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพควอนตัมภายนอกเริ่มต้น (EQE) มีค่าพอประมาณ:
- ~0.01% สำหรับ NdLED
- ~0.04% สำหรับ YbLED
- ~0.004% สำหรับ ErLED
การจำลองด้วยแสงแบบเต็มกองแสดงให้เห็นประสิทธิภาพในการแยกแสงที่ลดลงในภูมิภาค NIR-II ซึ่งส่งผลให้ค่า EQE ต่ำ
ช่องทางการสูญเสียและการเพิ่มประสิทธิภาพ
มีหลายปัจจัยที่จำกัดประสิทธิภาพของอุปกรณ์รุ่นแรก: PLQE เล็กน้อยประกอบด้วย LnNP ที่มีแกนหลักเท่านั้นซึ่งมีขนาดเล็กมากและมีสารเจือสูง ซึ่งวิถีทางที่ไม่มีรังสีที่ยึดกับพื้นผิวมีความสำคัญ การรั่วไหลของประจุและการปล่อยก๊าซที่มองเห็นได้ไม่พึงประสงค์จากโพลี-TPD ยังทำให้ประสิทธิภาพลดลงเนื่องจากการรวมตัวกันอีกครั้งภายนอกชั้นนาโนไฮบริด
การครอบคลุมพื้นผิวต่ำที่ 9-ACA (น้อยกว่า 10%) จำกัดจำนวนตำแหน่งการถ่ายโอนพลังงานที่มีประสิทธิภาพ และลดการดึงแสงที่ความยาวคลื่น NIR-II เนื่องจากการออกแบบสแต็กแสง
เพื่อแก้ปัญหาเหล่านี้ ผู้เขียนศึกษาได้แนะนำอนุภาคนาโนแกนและเปลือก Yb@Nd (NaGd)0.8เอฟ4:ยบ0.2@นาจี0.4เอฟ4:ไม่มี0.6) ซึ่งปรับปรุง PLQE อย่างมีนัยสำคัญ (สูงถึงประมาณ 3% ที่การกระตุ้น 375 นาโนเมตร) และช่วยให้สามารถเก็บเกี่ยวพลังงานที่ถ่ายโอนจาก 9-ACA ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น
อนุภาคนาโนยังปรับชั้นการขนส่งรูให้เหมาะสมและเพิ่มเลนส์คัปปลิ้งครึ่งทรงกลมให้กับสารตั้งต้น
ด้วยการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ อุปกรณ์ที่ใช้ Yb@Nd จะได้รับค่า NIR EQE สูงสุดที่สูงกว่า 0.6% ซึ่งเป็นลำดับความสำคัญของการปรับปรุงเหนือโครงสร้างเริ่มต้น และมีประสิทธิภาพเหนือกว่า LED อินทรีย์ส่วนใหญ่ที่ทำงานเหนือ 1,000 นาโนเมตร
งานนี้ยังแสดงให้เห็นว่าสามารถปรับการปล่อยก๊าซได้ตลอดช่วง NIR-II ทั้งหมด โดยการเปลี่ยนชนิดและความเข้มข้นของไอออนแลนทาไนด์ โดยเน้นที่ความยืดหยุ่นทางสเปกตรัมของแท่นขุดเจาะ
การศึกษาชี้ให้เห็นว่าอาจได้รับประโยชน์เพิ่มเติมโดยการเพิ่มปริมาณ lanthanide PLQE ผ่านกลยุทธ์การเติมที่ปรับแต่ง การปรับปรุงพื้นผิวและโครงสร้างนาโนขั้นสูงมากขึ้น ตลอดจนการปรับแต่งสถาปัตยกรรมอุปกรณ์เพิ่มเติมเพื่อให้เกิดความสมดุลของประจุและการสกัดแสงที่ดีขึ้น
อนาคตของ LED ที่มีแลนทาไนด์
การศึกษาครั้งนี้ได้นำเสนอวิธีการกระตุ้นเชิงปฏิบัติสำหรับการแยกอนุภาคนาโนที่เจือด้วยแลนทาไนด์ด้วยไฟฟ้า โดยการรวบรวม excitons โมเลกุลทริปเลตที่มีอายุยาวนานที่แรงดันไฟฟ้าต่ำ LnLED ที่ได้จะรวมการปล่อย NIR-II ที่แคบเข้ากับแผนงานที่ชัดเจนในการปรับปรุงประสิทธิภาพ
ในขณะที่เคมีวัสดุและวิศวกรรมอุปกรณ์มีความก้าวหน้า โดยอาศัยข้อมูลเชิงลึกจากชุมชน LED OLED และควอนตัมดอท LED แบบไฮบริดที่ใช้แลนทาไนด์อาจกลายเป็นแหล่งกำเนิดแสงที่มีคุณค่าสำหรับการถ่ายภาพเนื้อเยื่อลึก ออพโตเจเนติกส์ การสื่อสารด้วยแสง และเทคโนโลยี NIR-II อื่นๆ
การอ้างอิงนิตยสาร
ยู ซี และคณะ (2025). แฝดสามจะเปิดอนุภาคนาโนที่เจือด้วยแลนทาไนด์ที่เป็นฉนวนด้วยไฟฟ้า ธรรมชาติ 647, 625–631. ดอย: 10.1038/s41586-025-09601-y