Wissenschaftlern der Universität Cambridge ist es gelungen, isolierende Nanopartikel mithilfe molekularer Antennen mit Strom zu versorgen und so eine extrem reine Nahinfrarot-LED zu entwickeln. Die Ergebnisse dieser Forschung, veröffentlicht in der Ausgabe vom 19. November von *Nature*, markieren die Entstehung einer neuen Klasse ultrareiner Nahinfrarot-LEDs mit potenziellen Anwendungen in der medizinischen Diagnostik, optischen Kommunikationssystemen und Sensortechnologien. Das Forschungsteam des Cavendish-Labors der Universität Cambridge konzentriert sich auf die Untersuchung nano-optoelektronischer Materialien und Bauelemente.
Das Forschungsteam entdeckte, dass organische Moleküle, insbesondere 9-Anthracencarbonsäure (9-ACA), durch die Anbindung an mit Cer dotierte Seltenerd-Nanopartikel (LnNPs) als Miniaturantennen fungieren und elektrische Energie effektiv auf diese normalerweise nichtleitenden Partikel übertragen. Dank dieser innovativen Methode emittieren diese Nanopartikel, die lange Zeit mit elektronischen Bauteilen inkompatibel waren, erstmals Licht.
Im Mittelpunkt der Forschung stehen cerdotierte Nanopartikel (LnNPs), eine Materialklasse, die für ihre extrem reine und stabile Lichtemission bekannt ist, insbesondere im zweiten Nahinfrarotbereich, der selbst dichtes biologisches Gewebe durchdringen kann. Trotz dieser Vorteile hat ihre mangelnde elektrische Leitfähigkeit lange Zeit ihren Einsatz in elektronischen Bauteilen wie LEDs verhindert.
Das Forschungsteam löste dieses Problem durch die Entwicklung eines Hybridmaterials aus organischen und anorganischen Komponenten. Sie brachten organische Farbstoffe mit funktionellen Ankergruppen an der Außenfläche der LnNPs an. In der so konstruierten LED wird die Ladung in die 9-ACA-Moleküle geleitet, die als molekulare Antennen fungieren, anstatt direkt auf die Nanopartikel übertragen zu werden.
Nach der Anregung treten diese Moleküle in einen angeregten Triplettzustand ein. In vielen optischen Systemen wird dieser Triplettzustand üblicherweise als Dunkelzustand betrachtet und nicht genutzt. In diesem Design hingegen werden über 98 % der Energie vom Triplettzustand auf die Cerionen in den isolierenden Nanopartikeln übertragen, was zu einer hellen und effizienten Lichtemission führt. Dank dieser neuen Methode können die LnLEDs des Teams mit einer niedrigen Spannung von etwa 5 Volt betrieben werden und eine Elektrolumineszenz mit extrem schmaler spektraler Breite und einer maximalen externen Quanteneffizienz von über 0,6 % erzeugen. Damit sind sie konkurrierenden Technologien wie Quantenpunkten deutlich überlegen.
Diese Entdeckung eröffnet ein breites Spektrum potenzieller Anwendungen für zukünftige Medizinprodukte. Miniaturisierte, injizierbare oder tragbare LnLEDs könnten für die Bildgebung tiefer Gewebeschichten eingesetzt werden, um Krankheiten wie Krebs zu erkennen, die Organfunktion in Echtzeit zu überwachen oder lichtempfindliche Medikamente präzise auszulösen. Die Reinheit und die geringe spektrale Breite des emittierten Lichts versprechen zudem schnellere und klarere optische Kommunikationssysteme und damit potenziell eine effizientere Datenübertragung mit weniger Störungen.