Para ilmuwan telah mengembangkan cara baru yang mengejutkan untuk memberi daya pada material yang biasanya tidak dapat menghantarkan listrik, membuka pintu bagi generasi baru LED inframerah-dekat ultra-murni untuk pencitraan medis, teknologi komunikasi, dan sensor canggih.
Kemajuan ini bergantung pada “antena molekuler” kecil yang menyalurkan energi listrik menuju isolasi nanopartikel. Dengan menggunakan metode ini, para peneliti di Laboratorium Cavendish di Universitas Cambridge telah menciptakan LED pertama yang dibuat dari bahan yang sebelumnya “tidak berdaya” ini.
Temuan mereka dipublikasikan di Alam.
Antena molekuler memberi daya pada nanopartikel isolasi
Penelitian ini berfokus pada nanopartikel yang didoping lantanida (LnNPs), bahan yang diketahui menghasilkan cahaya yang sangat stabil dan sangat murni. Mereka sangat berharga karena memancarkan cahaya di wilayah inframerah dekat kedua, yang dapat menembus jauh ke dalam jaringan biologis. Hal ini membuat mereka menarik untuk teknologi pencitraan dan penginderaan medis.
Meskipun mempunyai keunggulan optik, nanopartikel ini mempunyai kelemahan besar. Merupakan isolator listrik, artinya tidak dapat mengalirkan arus listrik dengan mudah. Keterbatasan ini menghalangi para ilmuwan untuk menggunakannya pada perangkat elektronik seperti LED.
Peneliti Cambridge telah menemukan jalan keluar dari kendala ini, suatu hal yang sebelumnya dianggap mustahil dalam kondisi normal. Dengan menempelkan molekul organik pilihan khusus ke nanopartikel, tim menciptakan sistem yang mampu mentransfer energi listrik ke bahan isolasi.
“Nanopartikel ini adalah pemancar cahaya yang luar biasa, tapi kita tidak bisa memberi energi pada mereka dengan listrik. Ini adalah hambatan besar yang menghalangi penggunaannya dalam teknologi sehari-hari,” kata Profesor Akshay Rao, yang memimpin penelitian di Lab Cavendish. “Kami pada dasarnya telah menemukan pintu belakang untuk memberi daya pada mereka. Molekul organik bertindak seperti antena, menangkap pembawa muatan dan kemudian ‘membisikkannya’ ke nanopartikel melalui proses transfer energi rangkap tiga yang khusus dan sangat efisien.”
LED hibrida organik mencapai lebih dari 98% transfer energi
Untuk membuat teknologi ini berhasil, para ilmuwan membuat bahan hibrida yang menggabungkan molekul organik dengan nanopartikel anorganik. Mereka menempelkan pewarna organik yang disebut asam 9-antrasenakarboksilat (9-ACA) ke permukaan LnNP.
Di dalam LED yang baru dirancang, muatan listrik diarahkan ke molekul 9-ACA, bukan ke nanopartikel itu sendiri. Molekul-molekul ini bertindak sebagai antena molekuler yang menyerap energi yang masuk dan memasuki “keadaan triplet” yang tereksitasi.
Dalam banyak sistem optik, keadaan triplet dianggap “gelap” karena energinya sering kali hilang. Namun, dalam desain baru ini, energi triplet ditransfer ke ion lantanida di dalam nanopartikel dengan efisiensi lebih dari 98%. Proses ini menyebabkan nanopartikel isolasi memancarkan cahaya terang dan sangat murni.
LED inframerah-dekat ultra-murni dengan konsumsi daya rendah
Perangkat yang dihasilkan, disebut “LnLED”, beroperasi pada tegangan yang relatif rendah sekitar 5 volt. Mereka juga menghasilkan elektroluminesensi dengan lebar spektral yang sangat sempit, sehingga menghasilkan keluaran cahaya yang jauh lebih murni dibandingkan teknologi pesaing seperti titik kuantum (QDs).
“Kemurnian cahaya pada jendela inframerah dekat kedua yang dipancarkan oleh LnLED kami merupakan keuntungan besar,” kata Dr. Zhongzheng Yu, penulis utama studi ini dan rekan peneliti pascadoktoral di Lab Cavendish. “Untuk aplikasi seperti penginderaan biomedis atau komunikasi optik, Anda menginginkan panjang gelombang spesifik yang sangat tepat. Perangkat kami mencapai hal ini dengan mudah, yang sangat sulit dicapai dengan bahan lain.”
Potensi pencitraan medis dan komunikasi optik
Teknologi ini dapat menghasilkan berbagai aplikasi di masa depan. Karena LED memancarkan cahaya inframerah dekat yang sangat murni, LED memungkinkan terciptanya perangkat medis baru yang dapat melihat jauh ke dalam tubuh.
LnLED kecil yang dapat disuntikkan atau dipakai berpotensi membantu dokter mendeteksi kanker, memantau organ secara real time, atau mengaktifkan obat peka cahaya dengan presisi luar biasa.
Emisi cahaya yang sempit dan stabil juga dapat meningkatkan sistem komunikasi optik dengan mengurangi interferensi dan memungkinkan data dalam jumlah besar mengalir dengan lebih jelas dan efisien. Selain itu, teknologi ini dapat mendukung detektor yang sangat sensitif yang mampu mengidentifikasi bahan kimia atau penanda biologis tertentu.
Perangkat generasi pertama sudah menunjukkan hasil yang baik
Tim peneliti telah mencapai efisiensi kuantum eksternal maksimum lebih dari 0,6% untuk LED NIR-II, sebuah hasil yang mengesankan untuk perangkat generasi pertama. Para ilmuwan juga mengatakan ada jalan yang jelas untuk meningkatkan kinerja lebih jauh lagi.
“Ini baru permulaan. Kami telah menemukan kelas material baru untuk optoelektronik,” tambah Dr. Yunzhou Deng, peneliti pascadoktoral di Laboratorium Cavendish. “Prinsip dasarnya sangat serbaguna sehingga kita sekarang dapat mengeksplorasi kombinasi molekul organik dan bahan nano isolasi yang tak terhitung jumlahnya. Hal ini akan memungkinkan kita untuk membuat perangkat dengan sifat yang dibuat khusus untuk aplikasi yang bahkan belum terpikirkan oleh kita.”
Pekerjaan ini sebagian didukung oleh Hibah Perbatasan Penelitian dan Inovasi Inggris (UKRI) (EP/Y015584/1) dan beasiswa pascadoktoral individu (Skema Beasiswa Marie Skłodowska-Curie).
