לאחרונה, צוות המחקר של לי דאבינג וסאן שיאוג'ואן ממכון צ'אנגצ'ון לאופטיקה, מכניקה עדינה ופיזיקה, האקדמיה הסינית למדעים, וצוות המחקר של שו קה במעבדת המפתח של המדינה לווירולוגיה של אוניברסיטת ווהאן ביצעו הנדסת מתח, הכנת מכשירים ו הכנת מכשיר של נוריות אולטרה סגול עמוקות מבוססות AlGaN על מצעי תבנית דחיסה חזקה של AlN/ספיר, כמו גם המחקר על יעילות החיטוי של נגיפי RNA בדרכי הנשימה האנושיות. הוכנו נוריות אולטרה סגול עמוקות המבוססות על AlGaN עם אורכי גל שיא שונים של 256 ננומטר, 265 ננומטר ו-278 ננומטר, שהייתה להם אפקט חיטוי מצוין על נגיפי RNA נשימתי אנושיים.
רקע כללי:
נגיפי RNA נשימתי אנושיים, כגון SARS-CoV-2 ושפעת A (IAV), גורמים לתחלואה משמעותית, תמותה, אובדן כלכלי ומחלות מגיפה ברחבי העולם. לכן, יש צורך לפתח שיטות חיטוי משטחים וסביבתיות יעילות יותר ורחב-ספקטרום כדי להפחית את הסיכון להעברת נגיף RNA נשימתי אנושי.
אור אולטרה סגול עמוק הוא דרך יעילה להשבית וירוסים על ידי שיבוש הגנום שלהם. מנורות כספית משמשות בדרך כלל לחיטוי וירוסים, אך יש להן את החסרונות של רעילות, שבירות, נפח, תוחלת חיים קצרה ויצירת אוזון. על פי אמנת Minamata, הייצור, היבוא והיצוא של מוצרים המכילים כספית אסורים החל משנת 2020. קיים צורך דחוף במוצר חיטוי ידידותי לסביבה ויעיל. נוריות UV עמוקות של AlGaN ניתנות לכיוון מ-365 ננומטר ל-210 ננומטר ומהוות חלופה לעיקור מנורות כספית בשל אי זיהום, גודל קטן וחיסכון באנרגיה, כפי שמוצג באיור 1.
מחקרים הראו כי נוריות אולטרה סגול עמוקות המבוססות על AlGaN יכולות ביעילות להשבית חיידקים כגון Escherichia coli, Staphylococcus aureus ו-Candida albicans, ולחיידקים שונים יש רגישויות שונות לאורכי גל שונים. אורך הגל מתחת ל-260 ננומטר משפיע בצורה טובה על חיידקים. עם זאת, המחקר על השפעת החיטוי של נוריות LED מבוססות AlGaN על SAR-CoV-2 ו-IAV מתמקד בדרך כלל ב-265~365 ננומטר, ויש לו מצב מקור אור משולב וריכוז וירוסים נמוך. יש להעריך בצורה מדויקת יותר את ביטול ההפעלה של SARS-CoV-2 ו-IAV על ידי נוריות UV עמוקות יותר ניידות יותר, באורך גל קצר יותר, מבוססות AlGaN.
נוריות UV עמוקות מבוססות AlGaN הן בדרך כלל הטרופיטקסיות בתבניות AlN/ספיר. במהלך שני העשורים האחרונים הושגו תבניות AlN/ספיר איכותיות במגוון שיטות, ביניהן שיטת החישול בטמפרטורה גבוהה היא אולי היישום התעשייתי המבטיח ביותר בשל הפשטות, היעילות והיציבות שלה. עם זאת, תבניות AlN/ספיר מחולות בטמפרטורה גבוהה בדרך כלל מציגות מתחי דחיסה חזקים, אשר יכולים להשפיע באופן משמעותי על איכות ה-AlGaN העליון.
מצד אחד, מתח לחיצה חזק יכול לגרום לדפוס הצמיחה של SK, וכתוצאה מכך מבנה אי תלת מימדי המייצר נקעים של חוטים בצפיפות גבוהה ומשטחים מחוספסים. מצד שני, לחץ לחיצה חזק יכול לגרום לאפקט מתיחה, וכתוצאה מכך הרכב לא הומוגני ויעילות סימום נמוכה. בנוסף, מתחי דחיסה חזקים עלולים לפגום במכשיר במהלך תהליך הייצור. לכן, הרפיה של מתח הלחיצה החזק נחוצה עבור התקנים אפיטקסיאליים על תבנית מתח הלחיצה החזקה AlN/ספיר.
עיקרי המחקר:
בתגובה לבעיות שלעיל, צוות המחקר של לי דאבינג וסאן שיאוג'ואן ממכון צ'אנגצ'ון לאופטיקה, מכניקה עדינה ופיזיקה, האקדמיה הסינית למדעים וצוות המחקר של שו קה במעבדת המפתח של המדינה לווירולוגיה של אוניברסיטת ווהאן ביצעו לחץ הנדסה, הכנת מכשיר והכנת מכשיר של נוריות אולטרה סגול עמוקות מבוססות AlGaN אפיטקסיאליות על מצעי תבנית דחיסה חזקה של AlN/ספיר, כמו גם המחקר על היעילות של מכשירים בחיטוי נגיפי RNA נשימתי אנושיים.
נמצא כי על ידי החדרת מבנה סופר-סריג בין מצע הלחץ הלחץ AlN/ספיר לבין השכבה האפיטקסיאלית AlGaN, ניתן להקל ביעילות את מתח הלחיצה החזק של המצע על השכבה האפיטקסיאלית, וצפיפות הנקע של השכבה האפיטקסיאלית AlGaN היא מופחת ביותר מסדר גודל בהשוואה לשיטה האפיטקסיאלית הישירה, ולמשטח יש השטחה ברמה אטומית, מה שיכול לשפר באופן משמעותי את איכות הממשק של LED אפיטקסיאלי.
בהתבסס על שיטה זו, צוות המחקר ייצר נוריות אולטרה סגול עמוקות מבוססות AlGaN עם אורכי גל שיא שונים של 256 ננומטר, 265 ננומטר ו-278 ננומטר, המקבילים להספקים אופטיים של 6.8 מגוואט, 9.6 מגוואט ו-12.5 מגוואט ב-100 מ"א.
במקביל, צוות המחקר חקר את השפעת החיטוי של אורכי גל שונים על נגיפי RNA נשימתיים אנושיים SARS-CoV-2, IAV ו-HPIV, באותה צפיפות הספק אופטית (0). 8 mW/cm2). התוצאות הראו שכל נוריות ה-LED באורך הגל מחטאות 100% SARS-CoV-2 ו-IAV תוך 60 שניות בריכוז וירוס של 3.8×105 PFU/mL. ביניהם, נוריות LED של 256 ננומטר יכולות לחטא 100% SARS-CoV-2 ו-IAV תוך 10 שניות, ולהראות יעילות חיטוי גבוהה יותר מאשר נוריות LED באורך גל ארוך.
בנוסף, בריכוזי וירוסים גבוהים יותר ומשטחי התקשרות שונים של וירוסים, נוריות LED של 256 ננומטר הראו גם השפעות חיטוי מצוינות. תוצאות אלו יסייעו לנוריות UV עמוקות לחטא וירוסים בצורה ניידת יותר, ידידותית לסביבה, בעלת ספקטרום רחב ויעילה יותר.
איור 1 אורך גל עבודה ומבנה של LED אולטרה סגול עמוק מבוסס AlGaN ויישומה בתחום החיטוי
העבודה מבוססת על הנושא "השבתה מהירה של נגיפי RNA נשימה אנושיים על ידי הקרנה אולטרה סגולה עמוקה מדיודות פולטות אור על תבנית AlN/Sapphire מחולה בטמפרטורה גבוהה" כותרת זו פורסמה ב- Opto-Electronic Advances, גיליון 9, 2023 .
