Recentemente, a equipe de pesquisa de Li Dabing e Sun Xiaojuan do Instituto de Óptica, Mecânica Fina e Física de Changchun, da Academia Chinesa de Ciências, e a equipe de pesquisa de Xu Ke do Laboratório Estatal Chave de Virologia da Universidade de Wuhan realizaram engenharia de estresse, preparação de dispositivos e preparação de dispositivos de LEDs ultravioleta profundos baseados em AlGaN epitaxiais em substratos de modelo de AlN/safira de forte estresse compressivo, bem como a pesquisa sobre a eficiência de higienização de vírus de RNA respiratório humano. Foram preparados LEDs ultravioleta profundos baseados em AlGaN com diferentes comprimentos de onda de pico de 256 nm, 265 nm e 278 nm, que tiveram excelente efeito sanitizante em vírus RNA respiratórios humanos.
Fundo:
Os vírus RNA respiratórios humanos, como SARS-CoV-2 e influenza A (IAV), causam morbidade, mortalidade, perdas econômicas e doenças pandêmicas significativas em todo o mundo. Portanto, há necessidade de desenvolver métodos de desinfecção superficial e ambiental mais eficientes e de amplo espectro para reduzir o risco de transmissão do vírus RNA respiratório humano.
A luz ultravioleta profunda é uma forma eficaz de inativar vírus, alterando seus genomas. As lâmpadas de mercúrio são comumente usadas para higienizar vírus, mas apresentam as desvantagens de toxicidade, fragilidade, volume, vida útil curta e geração de ozônio. Ao abrigo da Convenção de Minamata, a produção, importação e exportação de produtos que contenham mercúrio são proibidas a partir de 2020. Há uma necessidade urgente de um produto higienizante eficiente e amigo do ambiente. Os LEDs UV profundos AlGaN podem ser ajustados de 365 nm a 210 nm e são uma alternativa à esterilização com lâmpadas de mercúrio devido à sua não poluição, tamanho pequeno e economia de energia, conforme mostrado na Figura 1.
Estudos demonstraram que LEDs ultravioleta profundos baseados em AlGaN podem efetivamente inativar bactérias como Escherichia coli, Staphylococcus aureus e Candida albicans, e diferentes bactérias têm diferentes sensibilidades a diferentes comprimentos de onda. O comprimento de onda abaixo de 260 nm tem um bom efeito de inativação nas bactérias. No entanto, a pesquisa sobre o efeito sanitizante dos LEDs baseados em AlGaN no SAR-CoV-2 e no IAV é geralmente focada em 265~365 nm e possui um modo de fonte de luz integrado e baixa concentração de vírus. A inativação de SARS-CoV-2 e IAV por LEDs UV profundos baseados em AlGaN, mais portáteis e de comprimento de onda mais curto, deve ser estimada com mais precisão.
LEDs UV profundos baseados em AlGaN são tipicamente heteroepitaxiais em modelos de AlN/safira. Nas últimas duas décadas, modelos de AlN/safira de alta qualidade foram obtidos através de uma variedade de métodos, entre os quais o método de recozimento em alta temperatura é talvez a aplicação industrial mais promissora devido à sua simplicidade, eficiência e estabilidade. No entanto, os modelos de AlN/safira recozidos a quente em alta temperatura geralmente exibem fortes tensões de compressão, o que pode afetar significativamente a qualidade do AlGaN superior.
Por um lado, fortes tensões compressivas podem induzir o padrão de crescimento SK, resultando em uma estrutura de ilha tridimensional que produz deslocamentos de rosca de alta densidade e superfícies rugosas. Por outro lado, fortes tensões compressivas podem causar um efeito de tração, resultando em composição não homogênea e baixa eficiência de dopagem. Além disso, é provável que fortes tensões de compressão degradem o dispositivo durante o processo de fabricação. Portanto, o relaxamento da forte tensão de compressão é necessário para dispositivos epitaxiais no modelo de forte tensão de compressão AlN/safira.
Destaques da Pesquisa:
Em resposta aos problemas acima, a equipe de pesquisa de Li Dabing e Sun Xiaojuan do Instituto de Óptica, Mecânica Fina e Física de Changchun, Academia Chinesa de Ciências, e a equipe de pesquisa de Xu Ke do Laboratório Estatal Chave de Virologia da Universidade de Wuhan realizaram testes de estresse engenharia, preparação de dispositivos e preparação de dispositivos de LEDs ultravioleta profundos baseados em AlGaN epitaxiais em substratos de modelo de AlN/safira de forte estresse compressivo, bem como a pesquisa sobre a eficiência de dispositivos na higienização de vírus de RNA respiratório humano.
Descobriu-se que ao inserir uma estrutura de superrede entre o substrato de AlN/safira de tensão fortemente compressiva e a camada epitaxial de AlGaN, a forte tensão de compressão do substrato na camada epitaxial pode ser efetivamente aliviada, e a densidade de deslocamento da camada epitaxial de AlGaN é reduzido em mais de uma ordem de magnitude em comparação com o método epitaxial direto, e a superfície tem achatamento em nível atômico, o que pode melhorar significativamente a qualidade da interface do LED epitaxial.
Com base neste método, a equipe de pesquisa fabricou LEDs ultravioleta profundos baseados em AlGaN com diferentes comprimentos de onda de pico de 256 nm, 265 nm e 278 nm, correspondendo a potências ópticas de 6,8 mW, 9,6 mW e 12,5 mW a 100 mA.
Ao mesmo tempo, a equipe de pesquisa estudou o efeito sanitizante de diferentes comprimentos de onda nos vírus RNA respiratórios humanos SARS-CoV-2, IAV e vírus parainfluenza humano (HPIV) na mesma densidade de potência óptica (0). 8mW/cm2). Os resultados mostraram que todos os LEDs de comprimento de onda higienizam 100% do SARS-CoV-2 e do IAV em 60 segundos a uma concentração de vírus de 3,8×105 PFU/mL. Entre eles, os LEDs de 256 nm podem higienizar 100% do SARS-CoV-2 e do IAV em 10 segundos, mostrando maior eficiência de higienização do que os LEDs de comprimento de onda longo.
Além disso, em concentrações mais altas de vírus e em diferentes superfícies de fixação de vírus, os LEDs de 256 nm também mostraram excelentes efeitos sanitizantes. Esses resultados ajudarão os LEDs UV profundos a desinfetar vírus de uma forma mais portátil, ecologicamente correta, de amplo espectro e eficiente.
Fig.1 Comprimento de onda de trabalho e estrutura do LED ultravioleta profundo baseado em AlGaN e sua aplicação na área de higienização
O trabalho é baseado no tema "Inativação rápida de vírus RNA respiratórios humanos por irradiação ultravioleta profunda de diodos emissores de luz em um modelo AlN/Sapphire recozido em alta temperatura". Este título foi publicado em Opto-Electronic Advances, Edição 9, 2023 .
