Niedawno zespół badawczy Li Dabinga i Sun Xiaojuana z Instytutu Optyki, Mechaniki Precyzyjnej i Fizyki Changchun Chińskiej Akademii Nauk oraz zespół badawczy Xu Ke z Państwowego Kluczowego Laboratorium Wirusologii Uniwersytetu w Wuhan przeprowadzili inżynierię naprężeń, przygotowanie urządzeń i przygotowanie urządzenia epitaksjalnych diod LED głębokiego ultrafioletu na bazie AlGaN na podłożach matrycowych AlN/szafir o silnym naprężeniu ściskającym, a także badania nad skutecznością odkażającą ludzkich wirusów RNA układu oddechowego. Przygotowano diody LED głębokiego ultrafioletu na bazie AlGaN o różnych szczytowych długościach fal 256 nm, 265 nm i 278 nm, które miały doskonałe działanie odkażające ludzkie wirusy RNA układu oddechowego.
Tło:
Ludzkie wirusy RNA układu oddechowego, takie jak SARS-CoV-2 i grypa A (IAV), powodują na całym świecie znaczną zachorowalność, śmiertelność, straty ekonomiczne i choroby pandemiczne. Dlatego istnieje potrzeba opracowania bardziej skutecznych metod dezynfekcji powierzchni i środowiska o szerokim spektrum działania, aby zmniejszyć ryzyko przenoszenia wirusa RNA przez drogi oddechowe człowieka.
Głębokie światło ultrafioletowe to skuteczny sposób na inaktywację wirusów poprzez zakłócanie ich genomów. Lampy rtęciowe są powszechnie używane do odkażania wirusów, ale mają wady: toksyczność, kruchość, masywność, krótką żywotność i wytwarzanie ozonu. Zgodnie z Konwencją z Minamaty od 2020 r. produkcja, import i eksport produktów zawierających rtęć są zabronione. Istnieje pilna potrzeba opracowania przyjaznego dla środowiska i skutecznego produktu odkażającego. Diody LED AlGaN głębokiego UV można regulować w zakresie od 365 nm do 210 nm i stanowią alternatywę dla sterylizacji lampą rtęciową ze względu na brak zanieczyszczeń, niewielkie rozmiary i oszczędność energii, jak pokazano na rysunku 1.
Badania wykazały, że diody LED głębokiego ultrafioletu na bazie AlGaN mogą skutecznie inaktywować bakterie, takie jak Escherichia coli, Staphylococcus aureus i Candida albicans, a różne bakterie mają różną wrażliwość na różne długości fal. Długość fali poniżej 260 nm ma dobry wpływ na inaktywację bakterii. Jednak badania nad odkażającym wpływem diod LED opartych na AlGaN na SAR-CoV-2 i IAV zwykle skupiają się na długości fali 265 ~ 365 nm i mają zintegrowany tryb źródła światła oraz niskie stężenie wirusa. Należy dokładniej oszacować inaktywację SARS-CoV-2 i IAV przez bardziej przenośne diody LED głębokiego UV na bazie AlGaN o krótszej długości fali.
Diody LED głębokiego UV na bazie AlGaN są zazwyczaj heteroepitaksjalne na matrycach AlN/szafir. W ciągu ostatnich dwudziestu lat wysokiej jakości szablony AlN/szafir uzyskano różnymi metodami, wśród których metoda wyżarzania w wysokiej temperaturze jest prawdopodobnie najbardziej obiecującym zastosowaniem przemysłowym ze względu na swoją prostotę, wydajność i stabilność. Jednakże szablony AlN/szafir wyżarzane na gorąco w wysokiej temperaturze zwykle wykazują silne naprężenia ściskające, które mogą znacząco wpłynąć na jakość górnego AlGaN.
Z jednej strony silne naprężenie ściskające może wywołać wzór wzrostu SK, w wyniku czego powstaje trójwymiarowa struktura wyspowa, która powoduje przemieszczenia gwintów o dużej gęstości i chropowate powierzchnie. Z drugiej strony silne naprężenia ściskające mogą powodować efekt trakcyjny, co skutkuje niejednorodnym składem i niską skutecznością domieszkowania. Ponadto silne naprężenia ściskające mogą spowodować degradację urządzenia w procesie produkcyjnym. Dlatego też w przypadku urządzeń epitaksjalnych na szablonie AlN/szafir, konieczne jest rozluźnienie silnych naprężeń ściskających.
Najważniejsze badania:
W odpowiedzi na powyższe problemy zespół badawczy Li Dabinga i Sun Xiaojuana z Instytutu Optyki, Mechaniki Precyzyjnej i Fizyki Changchun Chińskiej Akademii Nauk oraz zespół badawczy Xu Ke z Państwowego Kluczowego Laboratorium Wirusologii Uniwersytetu Wuhan przeprowadziły badania stresowe inżynieria, przygotowanie urządzeń i przygotowanie urządzeń epitaksjalnych diod LED głębokiego ultrafioletu na bazie AlGaN na podłożach matrycowych AlN/szafir o silnym naprężeniu ściskającym, a także badania nad skutecznością urządzeń w odkażaniu ludzkich wirusów RNA układu oddechowego.
Stwierdzono, że poprzez umieszczenie struktury supersieciowej pomiędzy podłożem AlN/szafirowym o silnym naprężeniu ściskającym a warstwą epitaksjalną AlGaN, można skutecznie złagodzić silne naprężenie ściskające podłoża na warstwie epitaksjalnej, a gęstość dyslokacji warstwy epitaksjalnej AlGaN wynosi zmniejszona o ponad rząd wielkości w porównaniu z bezpośrednią metodą epitaksjalną, a powierzchnia ma spłaszczenie na poziomie atomowym, co może znacznie poprawić jakość interfejsu epitaksjalnego LED.
W oparciu o tę metodę zespół badawczy wyprodukował diody LED głębokiego ultrafioletu na bazie AlGaN o różnych szczytowych długościach fal 256 nm, 265 nm i 278 nm, co odpowiada mocom optycznym 6,8 mW, 9,6 mW i 12,5 mW przy 100 mA.
Jednocześnie zespół badawczy badał odkażający wpływ różnych długości fal na ludzkie wirusy RNA układu oddechowego SARS-CoV-2, IAV i ludzki wirus paragrypy (HPIV) przy tej samej gęstości mocy optycznej (0. 8 mW/cm2). Wyniki wykazały, że diody LED o dowolnej długości fali dezynfekują 100% SARS-CoV-2 i IAV w ciągu 60 sekund przy stężeniu wirusa 3,8 × 105 PFU/ml. Wśród nich diody LED o długości fali 256 nm mogą odkażać 100% SARS-CoV-2 i IAV w 10 sekund, wykazując wyższą skuteczność odkażania niż diody LED o dużej długości fali.
Ponadto przy wyższych stężeniach wirusów i różnych powierzchniach, w których wirus się przyłącza, diody LED o długości fali 256 nm wykazały również doskonałe działanie odkażające. Wyniki te pomogą diodom LED głębokiego UV w dezynfekcji wirusów w bardziej przenośny, przyjazny dla środowiska, szerokim spektrum i skuteczny sposób.
Rys.1 Robocza długość fali i struktura diody LED głębokiego ultrafioletu na bazie AlGaN i jej zastosowanie w dziedzinie sanityzacji
Praca oparta jest na temacie „Szybka inaktywacja ludzkich wirusów RNA układu oddechowego poprzez napromieniowanie głębokim ultrafioletem z diod elektroluminescencyjnych na szablonie AlN/Sapphire o wysokiej temperaturze” Tytuł ten został opublikowany w Opto-Electronic Advances, wydanie 9, 2023 .
