中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所黎大兵、孫曉娟研究團(tuán)隊與武漢大學(xué)病毒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室徐可研究團(tuán)隊合作，進(jìn)行了強(qiáng)壓應(yīng)力AlN/藍(lán)寶石模板襯底上外延AlGaN基深紫外LED的應(yīng)力工程、器件制備，以及器件對人類呼吸道RNA病毒消殺效率的研究。研究制備了具有256 nm、265 nm和278 nm等不同峰值波長的AlGaN基深紫外LED，對人類呼吸道RNA病毒具有極好的消殺效果。
研究背景
人類呼吸道RNA病毒，如SARS-CoV-2和甲型流感病毒（IAV），在全球范圍內(nèi)造成大量發(fā)病率、死亡率、經(jīng)濟(jì)損失和大流行性疾病。因此，有必要開發(fā)更高效、更廣譜的表面和環(huán)境消毒方法，以降低人類呼吸道RNA病毒傳播的風(fēng)險。
深紫外光照是一種通過破壞病毒基因組來滅活病毒的有效方法。汞燈通常用于病毒消殺，但存在毒性、脆性、體積大、壽命短和產(chǎn)生臭氧的缺點(diǎn)。根據(jù)《水俁公約》，自2020年起，禁止生產(chǎn)、進(jìn)口和出口含汞產(chǎn)品。現(xiàn)在迫切需要一種環(huán)保且高效的消殺產(chǎn)品。AlGaN深紫外LED波長可從365 nm調(diào)諧到210 nm，具有無污染、小尺寸、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，是汞燈殺菌的替代品，如圖1所示。研究表明，基于AlGaN的深紫外LED可以有效地滅活大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、白色念珠菌等細(xì)菌，不同細(xì)菌對不同波長的敏感性不同。260 nm以下的波長對細(xì)菌具有較好的滅活效果。然而，基于AlGaN的LED對SAR-CoV-2和IAV的消殺效果的研究通常集中在265~365 nm，且具有集成光源模式和低病毒濃度。必須更精確地估計更便攜、更短波長的AlGaN基深紫外LED對SARS-CoV-2和IAV的滅活作用。
基于AlGaN的深紫外LED通常在AlN/藍(lán)寶石模板上異質(zhì)外延生長。過去二十年里，通過各種方法獲得了高質(zhì)量AlN/藍(lán)寶石模板，其中高溫退火方法由于其簡單、高效和穩(wěn)定性，可能是最有前途的工業(yè)應(yīng)用。然而，高溫?zé)嵬嘶餉lN/藍(lán)寶石模板通常表現(xiàn)出較強(qiáng)的壓縮應(yīng)力，這會顯著影響上部AlGaN的質(zhì)量。一方面，強(qiáng)壓應(yīng)力可以誘導(dǎo)S-K生長模式，導(dǎo)致三維島結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生高密度的螺紋位錯和粗糙表面。另一方面，強(qiáng)壓應(yīng)力會引起牽引效應(yīng)，導(dǎo)致成分不均勻和低p摻雜效率。此外，強(qiáng)壓應(yīng)力很可能會在制造過程中使器件退化。因此，在強(qiáng)壓應(yīng)力AlN/藍(lán)寶石模板上外延器件，強(qiáng)壓應(yīng)力的弛豫是必要的。
研究亮點(diǎn)
針對上述問題，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所黎大兵、孫曉娟研究團(tuán)隊與武漢大學(xué)病毒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室徐可研究團(tuán)隊合作，進(jìn)行了強(qiáng)壓應(yīng)力AlN/藍(lán)寶石模板襯底上外延AlGaN基深紫外LED的應(yīng)力工程、器件制備，以及器件對人類呼吸道RNA病毒消殺效率的研究。研究發(fā)現(xiàn)，通過在強(qiáng)壓應(yīng)力AlN/藍(lán)寶石襯底與AlGaN外延層之間插入超晶格結(jié)構(gòu)，能有效緩解襯底對外延層的強(qiáng)壓應(yīng)力，使得AlGaN外延層位錯密度相比直接外延方式降低一個數(shù)量級以上，并且具有原子級平整的表面，可以顯著提升外延LED界面質(zhì)量?；谠摲椒?，研究團(tuán)隊制備了具有256 nm、265 nm和278 nm等不同峰值波長的AlGaN基深紫外LED，對應(yīng)光功率在100 mA下達(dá)到6.8 mW，9.6 mW和12.5 mW。
同時，研究團(tuán)隊在相同的光功率密度（0.8 mW/cm2）下，對不同波長對人類呼吸道RNA病毒SARS-CoV-2、IAV和人類副流感病毒（HPIV）的消殺效果進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，當(dāng)病毒濃度為3.8×105 PFU/mL時，所有波長LED在60秒內(nèi)均能100%消殺SARS-CoV-2和IAV。其中，256 nm-LED更是能在10秒時間內(nèi)100%消殺SARS-CoV-2和IAV，展現(xiàn)出相比長波長LED更高的消殺效率。此外，更高病毒濃度和不同病毒附著表面環(huán)境下，256 nm-LED同樣展現(xiàn)出極好的消殺效果。這些結(jié)果將有助于深紫外LED以更加便攜、環(huán)保、廣譜、高效的方式進(jìn)行病毒消毒。
圖1 AlGaN基深紫外LED工作波長、結(jié)構(gòu)及其在消殺領(lǐng)域的應(yīng)用
該工作以“Rapid inactivation of human respiratory RNA viruses by deep ultraviolet irradiation from light-emitting diodes on a high-temperature-annealed AlN/Sapphire template”為題發(fā)表在Opto-Electronic Advances（光電進(jìn)展）2023年第9期。
研究團(tuán)隊簡介
中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室黎大兵、孫曉娟研究團(tuán)隊主要從事寬禁帶氮化物半導(dǎo)體材料及其光電子器件研究，涉及材料與器件物理、缺陷與摻雜調(diào)控、結(jié)構(gòu)外延生長、LED及光電探測器件制備及應(yīng)用等方面。研究團(tuán)隊專注寬禁帶氮化物半導(dǎo)體領(lǐng)域10余年，目前擁有全職職工10余人、在讀碩博20余人，在高質(zhì)量AlN材料制備、氮化物缺陷演變規(guī)律、高效率超寬禁帶氮化物p型摻雜新機(jī)制、高性能光電器件研制方面均取得了多項創(chuàng)新成果。近年來在Adv. Mater.、Light Sci. Appl.等期刊發(fā)表論文100余篇，申請國內(nèi)外發(fā)明專利80余件，主持基金委杰青、優(yōu)青、科技部重點(diǎn)研發(fā)計劃等項目10余項，獲吉林省自然科學(xué)一等獎等獎項。
黎大兵
下載PDF：
https://www.oejournal.org/oej-data/oea/2023/9/PDF/OEA-2023-0004-Lidabing.pdf
