Advanced Function Materials:助力新冠疫情!高功率密度深紫外LED杀菌光源“秒杀”新冠病毒

2020年初爆发的并持续至今的新冠病毒已在全球范围内夺走数百万人的生命,同时极大的破坏了不同地区间的经济发展与正常生活。这场危机使得病毒消杀领域受到前所未有的重视。与传统的化学试剂杀菌方式不同,深紫外光源能够直接解离细菌与病毒内部的遗传载体,具有杀菌高效,无持续性伤害等优点。近年来,AlGaN基深紫外LED以出光单色性好、杀菌效果显著、安全无毒且体积轻便在杀菌领域一枝独秀;但是,仍然面临着底层AlN模板质量有待提高、高铝组分P型区载流子浓度偏低、量子阱区量子史塔克效应导致载流子复合效率低等一系列问题有待进一步解决。

(a) 深紫外LED的输出功率与电流曲线(插图为对应发光谱) (b)深紫外LED阵列(15×13) 集成光源工作状态展示,阵列面积为3.0 × 3.6 cm2。(c) 集成光源在不同辐照距离处的功率密度与工作电流关系曲线。杀灭病毒实验的位置以红星标记,考虑到单个LED的发光效率,选择1.3 A的作为工作电流。(d) 新冠病毒杀灭实验示意图。

近日,北京大学、松山湖材料实验室和中国医学科学院的合作者成功实现了AlGaN基全结构深紫外LED,并以此为基础制作了具有高功率密度的杀菌光源模组,并且在对新冠病毒的杀灭实验中表现优异。该工作覆盖了上游材料外延、中游芯片设计制备、下游器件与模组封装等全产业链范围:1) 在外延端基于纳米级图形化衬底和高温MOCVD技术,获得了高晶体质量的AlGaN基深紫外LED外延结构;2) 在中游流片端通过设计电极结构与摸索电极工艺实现高电流注入效率与高出光效率;3) 在下游通过利用AlN陶瓷基板,优化封装工艺与电路设计,实现稳定性优异的高功率杀菌模组。通过三部分相互配合,所组装的高功率密度深紫外杀菌光源在中国医学科学院实验动物科学研究所BSL-3级实验室实现了对新冠病毒1秒的瞬间杀灭,在与空白对照组的实验中,辐照组结果显示超过99.99%的新冠病毒被彻底杀灭。

该工作充分展现了AlGaN基深紫外LED优异的杀菌性能,不仅在短期内为缓解新冠疫情显现了巨大潜力,更为未来深紫外杀菌行业提供了新的发展思路。

相关论文在线发表在Adv. Funct. Mater.上 (DOI: 10.1002/adfm.202008452)。北京大学王新强教授和中国医学科学院丛喆教授为该文的通讯作者。