最近、中国科学院長春光学・精密機械・物理研究所のLi Dabing氏とSun Xiaojuan氏の研究チーム、および武漢大学ウイルス学国家重点研究所のXu Ke氏の研究チームは、ストレスエンジニアリング、デバイスの準備、および強い圧縮応力のAlN/サファイアテンプレート基板上でのエピタキシャルAlGaNベースの深紫外LEDのデバイス作製、およびヒト呼吸器RNAウイルスの消毒効率に関する研究。 256 nm、265 nm、278 nmの異なるピーク波長を持つAlGaNベースの深紫外LEDが調製され、ヒト呼吸器RNAウイルスに対して優れた除菌効果を発揮しました。
背景：
SARS-CoV-2 やインフルエンザ A (IAV) などのヒト呼吸器 RNA ウイルスは、世界中で重大な罹患率、死亡率、経済的損失、およびパンデミック疾患を引き起こします。 したがって、ヒト呼吸器 RNA ウイルス感染のリスクを軽減するために、より効率的で広範囲の表面および環境の消毒方法を開発する必要があります。
深紫外線は、ウイルスのゲノムを破壊してウイルスを不活化する効果的な方法です。 水銀ランプはウイルスの消毒によく使用されますが、毒性、脆さ、かさばり、寿命が短く、オゾンが発生するという欠点があります。 水俣条約に基づき、2020 年から水銀を含む製品の製造、輸出入が禁止されています。環境に優しく効率的な除菌製品が急務となっています。 図 1 に示すように、AlGaN 深 UV LED は 365 nm から 210 nm まで調整でき、無公害、小型、省エネであるため、水銀ランプ滅菌の代替品となります。
研究によると、AlGaN ベースの深紫外 LED は大腸菌、黄色ブドウ球菌、カンジダ アルビカンスなどの細菌を効果的に不活化することができ、細菌ごとに波長に対する感受性が異なることが示されています。 260nm以下の波長は細菌に対して優れた不活化効果を発揮します。 ただし、SAR-CoV-2およびIAVに対するAlGaNベースのLEDの消毒効果に関する研究は通常、265〜365nmに焦点を当てており、統合された光源モードと低ウイルス濃度を備えています。 よりポータブルで短波長の AlGaN ベースの深紫外 LED による SARS-CoV-2 および IAV の不活化は、より正確に推定される必要があります。
AlGaN ベースの深紫外 LED は通常、AlN/サファイア テンプレート上のヘテロエピタキシャルです。 過去 20 年間にわたり、高品質の AlN/サファイア テンプレートはさまざまな方法で得られてきましたが、その中でも高温アニール法は、その単純さ、効率、安定性によりおそらく最も有望な産業用途です。 ただし、高温で熱アニールされた AlN/サファイア テンプレートは通常、強い圧縮応力を示し、上部 AlGaN の品質に大きな影響を与える可能性があります。
一方で、強い圧縮応力は SK 成長パターンを誘発する可能性があり、その結果、高密度の糸状転位と粗い表面を生成する 3 次元島構造が形成されます。 一方、強い圧縮応力はトラクション効果を引き起こし、その結果、組成が不均一になり、ドーピング効率が低下する可能性があります。 さらに、製造プロセス中に強い圧縮応力がかかるとデバイスが劣化する可能性があります。 したがって、強い圧縮応力の緩和は、強い圧縮応力の AlN/サファイア テンプレート上のエピタキシャル デバイスに必要です。
研究のハイライト:
上記の問題に対応して、中国科学院長春光学・精密機械・物理研究所の李大冰氏と孫暁娟氏の研究チーム、武漢大学ウイルス学国家重点研究所の徐克氏の研究チームは、ストレス実験を実施した。強い圧縮応力のAlN/サファイアテンプレート基板上のエピタキシャルAlGaNベースの深紫外LEDのエンジニアリング、デバイスの準備およびデバイスの準備、ならびにヒト呼吸器RNAウイルスの消毒におけるデバイスの効率に関する研究。
強い圧縮応力を持つAlN/サファイア基板とAlGaNエピタキシャル層の間に超格子構造を挿入することにより、エピタキシャル層上の基板の強い圧縮応力が効果的に緩和され、AlGaNエピタキシャル層の転位密度が低減されることがわかった。直接エピタキシャル法と比較して一桁以上低減され、表面が原子レベルで平坦化されるため、エピタキシャル LED の界面品質が大幅に向上します。
この方法に基づいて、研究チームは、100mAで6.8mW、9.6mW、および12.5mWの光出力に対応する、256nm、265nm、および278nmの異なるピーク波長を有するAlGaNベースの深紫外LEDを製造した。
同時に、研究チームは、同じ光出力密度（0）で、ヒト呼吸器RNAウイルスSARS-CoV-2、IAV、およびヒトパラインフルエンザウイルス（HPIV）に対する異なる波長の消毒効果を研究しました。 8mW/cm2）。 結果は、すべての波長の LED が 3.8×105 PFU/mL のウイルス濃度で 60 秒以内に SARS-CoV-2 および IAV を 100% 消毒することを示しました。 その中でも、256 nm-LED は SARS-CoV-2 と IAV を 10 秒で 100% 消毒でき、長波長 LED よりも高い消毒効率を示します。
さらに、より高いウイルス濃度や異なるウイルス付着表面でも、256 nm-LED は優れた消毒効果を示しました。 これらの結果は、深紫外 LED がよりポータブルで環境に優しく、広範囲かつ効率的な方法でウイルスを消毒するのに役立ちます。
図1 AlGaN系深紫外LEDの動作波長と構造と除菌分野への応用
この研究は、「高温アニールした AlN/サファイア テンプレート上の発光ダイオードからの深紫外線照射によるヒト呼吸器 RNA ウイルスの急速な不活化」というテーマに基づいています。このタイトルは、Opto-Electronic Advances、9 号、2023 年に掲載されました。 。
