Nedávno výskumný tím Li Dabing a Sun Xiaojuan z Inštitútu optiky, jemnej mechaniky a fyziky Changchun Čínskej akadémie vied a výskumný tím Xu Ke zo Štátneho kľúčového virologického laboratória Wuhanskej univerzity vykonali stresové inžinierstvo, prípravu zariadenia a príprava zariadenia epitaxných hlbokých ultrafialových LED diód na báze AlGaN na substrátoch AlN/zafírových templátov so silným tlakovým namáhaním, ako aj výskum dezinfekčnej účinnosti ľudských respiračných RNA vírusov. Boli pripravené hlboké ultrafialové LED diódy na báze AlGaN s rôznymi špičkovými vlnovými dĺžkami 256 nm, 265 nm a 278 nm, ktoré mali vynikajúci dezinfekčný účinok na ľudské respiračné RNA vírusy.
Pozadie:
Ľudské respiračné RNA vírusy, ako je SARS-CoV-2 a chrípka A (IAV), celosvetovo spôsobujú významnú chorobnosť, úmrtnosť, ekonomické straty a pandemické ochorenia. Preto je potrebné vyvinúť účinnejšie a širokospektrálne metódy dezinfekcie povrchu a prostredia, aby sa znížilo riziko prenosu ľudského respiračného RNA vírusu.
Hlboké ultrafialové svetlo je účinný spôsob, ako inaktivovať vírusy narušením ich genómu. Ortuťové výbojky sa bežne používajú na dezinfekciu vírusov, ale ich nevýhodou je toxicita, krehkosť, objemnosť, krátka životnosť a tvorba ozónu. Podľa Minamatského dohovoru je od roku 2020 zakázaná výroba, dovoz a vývoz výrobkov obsahujúcich ortuť. Existuje naliehavá potreba ekologického a účinného dezinfekčného výrobku. AlGaN hlboké UV LED diódy je možné naladiť od 365 nm do 210 nm a sú alternatívou k sterilizácii ortuťovými lampami vďaka ich neznečisteniu, malým rozmerom a úspore energie, ako je znázornené na obrázku 1.
Štúdie ukázali, že hlboké ultrafialové LED diódy na báze AlGaN môžu účinne inaktivovať baktérie ako Escherichia coli, Staphylococcus aureus a Candida albicans a rôzne baktérie majú rôznu citlivosť na rôzne vlnové dĺžky. Vlnová dĺžka pod 260 nm má dobrý inaktivačný účinok na baktérie. Výskum dezinfekčného účinku LED diód na báze AlGaN na SAR-CoV-2 a IAV sa však zvyčajne zameriava na 265~365 nm a má integrovaný režim svetelného zdroja a nízku koncentráciu vírusu. Inaktivácia SARS-CoV-2 a IAV prenosnejšími hlbokými UV LED diódami AlGaN s kratšou vlnovou dĺžkou sa musí odhadnúť presnejšie.
Hlboké UV LED diódy na báze AlGaN sú typicky heteroepitaxné na AlN / zafírových šablónach. Počas posledných dvoch desaťročí sa získali vysokokvalitné šablóny AlN / zafír prostredníctvom rôznych metód, medzi ktorými je metóda vysokoteplotného žíhania pravdepodobne najsľubnejšou priemyselnou aplikáciou vďaka svojej jednoduchosti, účinnosti a stabilite. Avšak šablóny AlN/zafír žíhané pri vysokej teplote zvyčajne vykazujú silné tlakové napätia, ktoré môžu výrazne ovplyvniť kvalitu horného AlGaN.
Na jednej strane môže silné tlakové napätie vyvolať rastový vzor SK, čo vedie k trojrozmernej ostrovnej štruktúre, ktorá vytvára dislokácie závitov s vysokou hustotou a drsné povrchy. Na druhej strane silné tlakové napätie môže spôsobiť ťahový efekt, výsledkom čoho je nehomogénne zloženie a nízka účinnosť dopingu. Okrem toho je pravdepodobné, že silné tlakové napätia znehodnotia zariadenie počas výrobného procesu. Preto je uvoľnenie silného tlakového napätia nevyhnutné pre epitaxné zariadenia na silnom tlakovom namáhaní AlN/zafírovej šablóny.
Najzaujímavejšie z výskumu:
V reakcii na vyššie uvedené problémy výskumný tím Li Dabing a Sun Xiaojuan z Changchunského inštitútu optiky, jemnej mechaniky a fyziky Čínskej akadémie vied a výskumný tím Xu Ke zo Štátneho kľúčového virologického laboratória Wuhanskej univerzity vykonal stres inžinierstvo, príprava zariadení a príprava zariadení epitaxných hlbokých ultrafialových LED diód na báze AlGaN na substrátoch AlN/zafírových templátov so silným tlakovým namáhaním, ako aj výskum účinnosti zariadení pri dezinfekcii ľudských respiračných RNA vírusov.
Zistilo sa, že vložením supermriežkovej štruktúry medzi silne kompresné napätie AlN/zafírový substrát a AlGaN epitaxnú vrstvu možno účinne zmierniť silné kompresné napätie substrátu na epitaxiálnej vrstve a hustota dislokácie AlGaN epitaxnej vrstvy je znížená o viac ako jeden rád v porovnaní s priamou epitaxnou metódou a povrch má sploštenie na atómovej úrovni, čo môže výrazne zlepšiť kvalitu rozhrania epitaxnej LED.
Na základe tejto metódy výskumný tím vyrobil hlboké ultrafialové LED diódy na báze AlGaN s rôznymi špičkovými vlnovými dĺžkami 256 nm, 265 nm a 278 nm, čo zodpovedá optickým výkonom 6,8 mW, 9,6 mW a 12,5 mW pri 100 mA.
Výskumný tím zároveň študoval dezinfekčný účinok rôznych vlnových dĺžok na ľudské respiračné RNA vírusy SARS-CoV-2, IAV a vírus ľudskej parainfluenzy (HPIV) pri rovnakej hustote optickej sily (0). 8 mW/cm2). Výsledky ukázali, že všetky LED diódy s vlnovou dĺžkou dezinfikujú 100 % SARS-CoV-2 a IAV do 60 sekúnd pri koncentrácii vírusu 3,8 × 105 PFU/ml. Medzi nimi 256 nm-LED dokážu dezinfikovať 100 % SARS-CoV-2 a IAV za 10 sekúnd, čím vykazujú vyššiu účinnosť dezinfekcie ako LED diódy s dlhými vlnovými dĺžkami.
Okrem toho, pri vyšších koncentráciách vírusov a rôznych povrchoch pripojenia vírusov, 256 nm-LED tiež vykazovali vynikajúce dezinfekčné účinky. Tieto výsledky pomôžu hĺbkovým UV LED dezinfikovať vírusy prenosnejším, ekologickejším, širokospektrálnym a efektívnym spôsobom.
Obr.1 Pracovná vlnová dĺžka a štruktúra hlbokej ultrafialovej LED na báze AlGaN a jej aplikácia v oblasti sanitácie
Práca je založená na téme „Rýchla inaktivácia ľudských respiračných RNA vírusov hlbokým ultrafialovým ožiarením zo svetelných diód na šablóne AlN/Sapphire žíhanej pri vysokej teplote“ Tento titul bol publikovaný v Opto-Electronic Advances, vydanie 9, 2023 .
