英國劍橋大學卡文迪什實驗室（Cavendish Laboratory）的研究團隊近日發表一項突破性成果，成功開發出首個以過去無法通電的絕緣材料製成的發光二極體（LED），這項創新技術有望在生醫感測與光通訊領域帶來革命性影響。

傳統上，諸如摻雜鑭系元素的奈米粒子（LnNPs）等材料，因其能產生異常穩定且高度純淨的第二近紅外光（NIR-II），而受到研究人員關注。第二近紅外光因其能深入生物組織的特性，在醫療應用上極具潛力。然而，LnNPs 本身是電絕緣體，難以直接應用於LED等電子裝置中，這一直是技術發展的主要障礙。

卡文迪什實驗室的研究人員找到了解決方案，他們透過將特選的有機分子附著在奈米粒子上，使其能夠將電能有效地轉移至絕緣材料中。這種混合材料結合了有機分子與無機奈米粒子，具體而言是將一種名為 9-蒽羧酸（9-ACA）的有機染料附著在LnNPs表面。

在這些新型「LnLEDs」中，電流會先導向 9-ACA 分子，這些分子如同「分子天線」般吸收能量並進入激發的「三重態」（triplet state）。隨後，這些三重態能量以超過 98% 的驚人效率轉移至奈米粒子內部的鑭系離子，進而使這些絕緣奈米粒子發出明亮且高度純淨的光。這些LnLEDs可在約 5 伏特的相對低電壓下運作，並產生光譜寬度極窄的電致發光（electroluminescence）。

領導這項研究的 Professor Akshay Rao 說明：「這些奈米粒子是絕佳的發光體，但我們過去無法用電能驅動它們，這是它們應用於日常科技的一大阻礙。我們基本上找到了一條驅動它們的『後門』。有機分子就像天線，捕捉電荷載子，然後透過特殊的三重態能量轉移過程，以驚人的效率『輕聲細語』地傳遞給奈米粒子。」

LnLEDs所發出的高純度第二近紅外光，對需要極其精確波長的應用具有巨大優勢。研究主要作者 Dr. Zhongzheng Yu 表示：「對於生醫感測或光通訊等應用，您需要非常清晰、特定波長的光。我們的裝置能輕易實現這一點，這是其他材料難以達到的。」

這項技術的潛在應用範圍廣泛，包括開發能夠深入體內檢測的新型醫療設備，如微型注射式或穿戴式LnLEDs，可能協助醫生精確偵測癌症、即時監測器官功能，或啟動光敏感藥物。此外，其窄而穩定的光發射也能減少干擾，讓光通訊系統傳輸更多數據，提高效率與清晰度。這項技術甚至能支援高靈敏度探測器，用於識別特定化學物質或生物標記。

卡文迪什實驗室博士後研究員 Dr. Yunzhou Deng 認為：「這只是個開始。我們為光電學解鎖了一類全新的材料。這種基本原理極為多樣，我們現在可以探索無數有機分子與絕緣奈米材料的組合，創造出具備客製化特性的裝置，應用範圍甚至超出我們的想像。」

研究團隊已為其NIR-II LED實現了超過 0.6% 的峰值外部量子效率，對於早期開發的裝置而言，這已是令人矚目的成果。此研究獲得英國研究與創新署（UK Research and Innovation, UKRI）邊境研究補助以及 Marie Skłodowska-Curie Fellowship 獎助計畫的部分支持。