Các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Cavendish, Đại học Cambridge (Anh) vừa phát triển một phương pháp cấp điện cho các hạt nano vốn không dẫn điện - điều từng được xem là gần như bất khả thi trong điều kiện thông thường. Thành tựu này mở ra khả năng phát triển thế hệ đèn LED hồng ngoại gần siêu tinh khiết mới và đã được công bố trên tạp chí Nature.

Nghiên cứu tập trung vào một nhóm vật liệu gọi là hạt nano pha tạp lanthanide (LnNPs). Các hạt này nổi tiếng nhờ khả năng phát ra ánh sáng cực kỳ tinh khiết và ổn định, đặc biệt trong vùng hồng ngoại gần thứ hai - loại ánh sáng có khả năng xuyên sâu vào mô sinh học, rất hữu ích cho chẩn đoán hình ảnh y tế và công nghệ cảm biến. Tuy nhiên, nhược điểm lớn của vật liệu này là tính cách điện, khiến chúng khó tích hợp vào các thiết bị điện tử như đèn LED.

Để giải quyết vấn đề đó, nhóm nghiên cứu đã tạo ra một vật liệu lai hữu cơ - vô cơ bằng cách gắn phân tử thuốc nhuộm hữu cơ có nhóm neo chức năng 9-anthracenecarboxylic acid (9-ACA) lên bề mặt hạt nano. Trong thiết kế đèn LED mới, điện tích không được đưa trực tiếp vào hạt nano mà được đưa vào các phân tử 9-ACA đóng vai trò như những “ăng-ten phân tử”. Các phân tử này hấp thụ năng lượng và chuyển sang trạng thái kích thích triplet.

Thông thường, trạng thái triplet được xem là trạng thái “tối”, nơi năng lượng bị thất thoát trong nhiều hệ quang học. Tuy nhiên, trong hệ thống mới, năng lượng từ trạng thái này lại được truyền với hiệu suất hơn 98% tới các ion lanthanide bên trong hạt nano cách điện, khiến chúng phát sáng mạnh.

Giáo sư Akshay Rao, người đứng đầu nhóm nghiên cứu, mô tả đây giống như việc tìm ra một “cửa sau” để cấp điện cho các vật liệu vốn không thể cấp điện trực tiếp: các phân tử hữu cơ hoạt động như những ăng-ten trung gian, hấp thụ hạt mang điện rồi truyền năng lượng tới hạt nano thông qua quá trình chuyển năng lượng triplet hiệu quả cao.

Triển vọng cho y tế và truyền thông quang

Phương pháp mới cho phép các đèn “LnLED” hoạt động ở điện áp thấp khoảng 5 volt và phát ra ánh sáng có độ rộng phổ cực hẹp, tinh khiết hơn đáng kể so với nhiều công nghệ cạnh tranh như chấm lượng tử. Nhóm nghiên cứu đã đạt hiệu suất lượng tử ngoài đỉnh hơn 0,6% cho đèn LED hồng ngoại gần - kết quả được đánh giá rất hứa hẹn đối với một thiết bị thế hệ đầu tiên.

Khám phá này mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng. Với khả năng phát ánh sáng tinh khiết khi được cấp điện, các hạt nano có thể trở thành nền tảng cho thế hệ thiết bị y tế mới như đèn LnLED siêu nhỏ dùng để chụp ảnh mô sâu phát hiện ung thư, theo dõi chức năng cơ quan theo thời gian thực hoặc kích hoạt thuốc nhạy sáng với độ chính xác cao. Theo nhóm nghiên cứu, nguyên lý này có thể mở rộng cho nhiều tổ hợp giữa phân tử hữu cơ và vật liệu nano cách điện, từ đó hình thành một lớp vật liệu mới cho ngành quang điện tử.

N.P.A (NASTIS), theo Cavendish Laboratory, University of Cambridge