中國科學院長春光學精密機械與物理研究所黎大兵、孫曉娟研究團隊與武漢大學病毒學國家重點實驗室徐可研究團隊合作，進行了強壓應力AlN/藍寶石模板襯底上外延AlGaN基深紫外LED的應力工程、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），在全球范圍內造成大量發病率、死亡率、經濟損失和大流行性疾病。因此，有必要開發更高效、更廣譜的表面和環境消毒方法，以降低人類呼吸道RNA病毒傳播的風險。
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、壽命短和產生臭氧的缺點。根據《水俁公約》，自2020年起，禁止生產、進口和出口含汞產品。現在迫切需要一種環保且高效的消殺產品。AlGaN深紫外LED波長可從365 nm調諧到210 nm，具有無污染、小尺寸、節能等優點，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、白色念珠菌等細菌，不同細菌對不同波長的敏感性不同。260 nm以下的波長對細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/藍寶石模板上異質外延生長。過去二十年里，通過各種方法獲得了高質量AlN/藍寶石模板，其中高溫退火方法由于其簡單、高效和穩定性，可能是最有前途的工業應用。然而，高溫熱退火AlN/藍寶石模板通常表現出較強的壓縮應力，這會顯著影響上部AlGaN的質量。一方面，強壓應力可以誘導S-K生長模式，導致三維島結構，產生高密度的螺紋位錯和粗糙表面。另一方面，強壓應力會引起牽引效應，導致成分不均勻和低p摻雜效率。此外，強壓應力很可能會在制造過程中使器件退化。因此，在強壓應力AlN/藍寶石模板上外延器件，強壓應力的弛豫是必要的。
研究亮點
針對上述問題，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所黎大兵、孫曉娟研究團隊與武漢大學病毒學國家重點實驗室徐可研究團隊合作，進行了強壓應力AlN/藍寶石模板襯底上外延AlGaN基深紫外LED的應力工程、器件制備，以及器件對人類呼吸道RNA病毒消殺效率的研究。研究發現，通過在強壓應力AlN/藍寶石襯底與AlGaN外延層之間插入超晶格結構，能有效緩解襯底對外延層的強壓應力，使得AlGaN外延層位錯密度相比直接外延方式降低一個數量級以上，并且具有原子級平整的表面，可以顯著提升外延LED界面質量。基于該方法，研究團隊制備了具有256 nm、265 nm和278 nm等不同峰值波長的AlGaN基深紫外LED，對應光功率在100 mA下達到6.8 mW，9.6 mW和12.5 mW。
同時，研究團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）的消殺效果進行了研究。結果表明，當病毒濃度為3.8×105 PFU/mL時，所有波長LED在60秒內均能100%消殺SARS-CoV-2和IAV。其中，256 nm-LED更是能在10秒時間內100%消殺SARS-CoV-2和IAV，展現出相比長波長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境下，256 nm-LED同樣展現出極好的消殺效果。這些結果將有助于深紫外LED以更加便攜、環保、廣譜、高效的方式進行病毒消毒。
圖1 AlGaN基深紫外LED工作波長、結構及其在消殺領域的應用
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”為題發表在Opto-Electronic Advances（光電進展）2023年第9期。
研究團隊簡介
中國科學院長春光學精密機械與物理研究所發光學及應用國家重點實驗室黎大兵、孫曉娟研究團隊主要從事寬禁帶氮化物半導體材料及其光電子器件研究，涉及材料與器件物理、缺陷與摻雜調控、結構外延生長、LED及光電探測器件制備及應用等方面。研究團隊專注寬禁帶氮化物半導體領域10余年，目前擁有全職職工10余人、在讀碩博20余人，在高質量AlN材料制備、氮化物缺陷演變規律、高效率超寬禁帶氮化物p型摻雜新機制、高性能光電器件研制方面均取得了多項創新成果。近年來在Adv. Mater.、Light Sci. Appl.等期刊發表論文100余篇，申請國內外發明專利80余件，主持基金委杰青、優青、科技部重點研發計劃等項目10余項，獲吉林省自然科學一等獎等獎項。
黎大兵
下載PDF：
https://www.oejournal.org/oej-data/oea/2023/9/PDF/OEA-2023-0004-Lidabing.pdf
