ケンブリッジ大学の科学者たちは、分子アンテナを用いて絶縁ナノ粒子に電力を供給することに成功し、極めて高純度の近赤外線LEDを開発しました。11月19日発行の*自然*誌に掲載されたこの研究成果は、医療診断、光通信システム、センシング技術への応用が期待される、新たなクラスの超高純度近赤外線LEDの創出を示しています。ケンブリッジ大学キャベンディッシュ研究所の研究チームは、ナノ光電子材料とデバイスの研究に重点を置いています。
研究チームは、有機分子、特に9-アントラセンカルボン酸（9-ACA）をセリウムドープ希土類ナノ粒子（LnNP）に結合させることで、これらの分子が小型アンテナとして機能し、通常は非導電性の粒子に電気エネルギーを効率的に伝達することを発見しました。この革新的な方法により、これまで電子部品との互換性がなかったこれらのナノ粒子が、初めて発光することを可能にしました。
本研究の核心は、セリウムドープナノ粒子（LnNP）です。これは、特に近赤外線領域において極めて純粋で安定した光を発することで知られる材料群で、高密度の生体組織を透過することができます。こうした利点があるにもかかわらず、LnNPは電気伝導性が低いため、LEDなどの電子部品への利用は長らく阻まれてきました。
研究チームは、有機成分と無機成分を組み合わせたハイブリッド材料を開発することでこの問題を解決しました。LnNPの外表面に、機能性アンカー基を含む有機色素を付加しました。構築されたLEDでは、電荷がナノ粒子に直接伝達されるのではなく、分子アンテナとして機能する9-ACA分子に導かれます。
これらの分子は励起三重項状態に入ります。多くの光学システムでは、この三重項状態は通常「暗状態」と見なされ、利用されません。しかし、この設計では、エネルギーの98%以上が三重項状態から絶縁ナノ粒子内のセリウムイオンに伝達され、明るく効率的な発光が得られます。この新しい方法により、研究チームのLnLEDは約5ボルトという低電圧で動作し、極めて狭いスペクトル幅と0.6%を超えるピーク外部量子効率を持つ発光を実現しており、量子ドットなどの競合技術を大幅に上回っています。
この発見は、将来の医療機器への幅広い応用の可能性を切り開きます。小型、注射可能、あるいはウェアラブルなLnLEDは、深部組織イメージングに利用でき、がんなどの疾患の検出、臓器機能のリアルタイムモニタリング、あるいは光感受性薬剤の正確な作動に活用できる可能性があります。また、発光光の純度と狭いスペクトル幅は、より高速でクリアな光通信システムへの応用も期待されており、干渉の少ないより効率的なデータ伝送につながる可能性があります。