Nedávno výzkumný tým Li Dabing a Sun Xiaojuan z Changchunského institutu optiky, jemné mechaniky a fyziky, Čínské akademie věd a výzkumný tým Xu Ke ze Státní klíčové virologické laboratoře Wuhanské univerzity provedli zátěžové inženýrství, přípravu zařízení a příprava zařízení epitaxních hlubokých ultrafialových LED diod na bázi AlGaN na templátových substrátech AlN/safír se silným tlakovým napětím, stejně jako výzkum sanitační účinnosti lidských respiračních RNA virů. Byly připraveny hluboké ultrafialové LED diody na bázi AlGaN s různými špičkovými vlnovými délkami 256 nm, 265 nm a 278 nm, které měly vynikající dezinfekční účinek na lidské respirační RNA viry.
Pozadí:
Lidské respirační RNA viry, jako je SARS-CoV-2 a chřipka A (IAV), způsobují celosvětově významnou nemocnost, úmrtnost, ekonomické ztráty a pandemická onemocnění. Proto existuje potřeba vyvinout účinnější a širokospektrální metody dezinfekce povrchu a prostředí, aby se snížilo riziko přenosu lidského respiračního RNA viru.
Hluboké ultrafialové světlo je účinný způsob, jak inaktivovat viry narušením jejich genomů. Rtuťové výbojky se běžně používají k dezinfekci virů, ale jejich nevýhodou je toxicita, křehkost, objemnost, krátká životnost a tvorba ozónu. Podle Minamatské úmluvy je od roku 2020 zakázána výroba, dovoz a vývoz výrobků obsahujících rtuť. Existuje naléhavá potřeba ekologického a účinného sanitačního výrobku. AlGaN deep UV LED diody lze ladit od 365 nm do 210 nm a jsou alternativou ke sterilizaci rtuťovými lampami díky jejich neznečišťování, malým rozměrům a úsporám energie, jak je znázorněno na obrázku 1.
Studie ukázaly, že hluboké ultrafialové LED diody na bázi AlGaN mohou účinně inaktivovat bakterie, jako je Escherichia coli, Staphylococcus aureus a Candida albicans, a různé bakterie mají různou citlivost na různé vlnové délky. Vlnová délka pod 260 nm má dobrý inaktivační účinek na bakterie. Výzkum dezinfekčního účinku LED na bázi AlGaN na SAR-CoV-2 a IAV se však obvykle zaměřuje na 265~365 nm a má integrovaný režim zdroje světla a nízkou koncentraci virů. Je třeba přesněji odhadnout inaktivaci SARS-CoV-2 a IAV přenosnějšími hlubokými UV LED na bázi AlGaN s kratší vlnovou délkou.
Hluboké UV LED diody na bázi AlGaN jsou typicky heteroepitaxní na AlN/safírových šablonách. Během posledních dvou desetiletí byly vysoce kvalitní AlN/safírové šablony získány různými metodami, mezi nimiž je metoda vysokoteplotního žíhání možná nejslibnější průmyslovou aplikací díky své jednoduchosti, účinnosti a stabilitě. Vysokoteplotně žíhané AlN/safírové šablony však obvykle vykazují silná tlaková napětí, která mohou výrazně ovlivnit kvalitu svrchního AlGaN.
Na jedné straně může silné tlakové napětí vyvolat vzor růstu SK, což vede k trojrozměrné ostrůvkové struktuře, která vytváří dislokace závitů s vysokou hustotou a drsné povrchy. Na druhou stranu silné tlakové namáhání může způsobit tahový efekt, který má za následek nehomogenní složení a nízkou účinnost dopingu. Navíc silné tlakové namáhání pravděpodobně znehodnotí zařízení během výrobního procesu. Proto je uvolnění silného tlakového napětí nezbytné pro epitaxní zařízení na silném tlakovém napětí AlN/safír šablony.
Nejdůležitější informace z výzkumu:
V reakci na výše uvedené problémy výzkumný tým Li Dabing a Sun Xiaojuan z Changchunského institutu optiky, jemné mechaniky a fyziky, Čínské akademie věd a výzkumný tým Xu Ke ze Státní klíčové virologické laboratoře Wuhanské univerzity provedl stres inženýrství, příprava zařízení a příprava zařízení epitaxních hlubokých ultrafialových LED diod na bázi AlGaN na substrátech AlN/safírových templátů se silným tlakovým napětím, stejně jako výzkum účinnosti zařízení při dezinfekci lidských respiračních RNA virů.
Bylo zjištěno, že vložením supermřížkové struktury mezi silně tlakové napětí AlN/safírový substrát a epitaxní vrstvu AlGaN lze účinně zmírnit silné tlakové napětí substrátu na epitaxní vrstvě a hustotu dislokací epitaxní vrstvy AlGaN snížena o více než řád ve srovnání s přímou epitaxní metodou a povrch má zploštění na atomové úrovni, což může výrazně zlepšit kvalitu rozhraní epitaxní LED.
Na základě této metody výzkumný tým vyrobil hluboké ultrafialové LED diody na bázi AlGaN s různými špičkovými vlnovými délkami 256 nm, 265 nm a 278 nm, což odpovídá optickým výkonům 6,8 mW, 9,6 mW a 12,5 mW při 100 mA.
Současně výzkumný tým studoval sanitační účinek různých vlnových délek na lidské respirační RNA viry SARS-CoV-2, IAV a virus lidské parainfluenzy (HPIV) při stejné hustotě optického výkonu (0). 8 mW/cm2). Výsledky ukázaly, že všechny LED diody s vlnovou délkou dezinfikují 100% SARS-CoV-2 a IAV během 60 sekund při koncentraci viru 3,8×105 PFU/ml. Mezi nimi 256nm-LED dokážou dezinfikovat 100 % SARS-CoV-2 a IAV za 10 sekund a vykazují vyšší účinnost dezinfekce než dlouhovlnné LED.
Navíc, při vyšších koncentracích viru a různých površích pro připojení viru, 256 nm-LED také vykazovaly vynikající dezinfekční účinky. Tyto výsledky pomohou hlubokým UV LED dezinfikovat viry přenosnějším, ekologičtějším, širokospektrálním a účinnějším způsobem.
Obr.1 Pracovní vlnová délka a struktura hluboké ultrafialové LED na bázi AlGaN a její aplikace v oblasti sanitace
Práce je založena na tématu "Rychlá inaktivace lidských respiračních RNA virů hlubokým ultrafialovým ozářením ze světelných diod na vysokoteplotně žíhané šabloně AlN/Sapphire" Tento titul byl publikován v Opto-Electronic Advances, Issue 9, 2023 .
