中国科学院长春光学精密机械与物理研究所黎大兵、孙晓娟研究团队与武汉大学病毒学国家重点实验室徐可研究团队合作，进行了强压应力AlN/蓝宝石模板衬底上外延AlGaN基深紫外LED的应力工程、器件制备，以及器件对人类呼吸道RNA病毒消杀效率的研究。研究制备了具有256 nm、265 nm和278 nm等不同峰值波长的AlGaN基深紫外LED，对人类呼吸道RNA病毒具有极好的消杀效果。
研究背景
人类呼吸道RNA病毒，如SARS-CoV-2和甲型流感病毒（IAV），在全球范围内造成大量发病率、死亡率、经济损失和大流行性疾病。因此，有必要开发更高效、更广谱的表面和环境消毒方法，以降低人类呼吸道RNA病毒传播的风险。
深紫外光照是一种通过破坏病毒基因组来灭活病毒的有效方法。汞灯通常用于病毒消杀，但存在毒性、脆性、体积大、寿命短和产生臭氧的缺点。根据《水俣公约》，自2020年起，禁止生产、进口和出口含汞产品。现在迫切需要一种环保且高效的消杀产品。AlGaN深紫外LED波长可从365 nm调谐到210 nm，具有无污染、小尺寸、节能等优点，是汞灯杀菌的替代品，如图1所示。研究表明，基于AlGaN的深紫外LED可以有效地灭活大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、白色念珠菌等细菌，不同细菌对不同波长的敏感性不同。260 nm以下的波长对细菌具有较好的灭活效果。然而，基于AlGaN的LED对SAR-CoV-2和IAV的消杀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浓度。必须更精确地估计更便携、更短波长的AlGaN基深紫外LED对SARS-CoV-2和IAV的灭活作用。
基于AlGaN的深紫外LED通常在AlN/蓝宝石模板上异质外延生长。过去二十年里，通过各种方法获得了高质量AlN/蓝宝石模板，其中高温退火方法由于其简单、高效和稳定性，可能是最有前途的工业应用。然而，高温热退火AlN/蓝宝石模板通常表现出较强的压缩应力，这会显著影响上部AlGaN的质量。一方面，强压应力可以诱导S-K生长模式，导致三维岛结构，产生高密度的螺纹位错和粗糙表面。另一方面，强压应力会引起牵引效应，导致成分不均匀和低p掺杂效率。此外，强压应力很可能会在制造过程中使器件退化。因此，在强压应力AlN/蓝宝石模板上外延器件，强压应力的弛豫是必要的。
研究亮点
针对上述问题，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所黎大兵、孙晓娟研究团队与武汉大学病毒学国家重点实验室徐可研究团队合作，进行了强压应力AlN/蓝宝石模板衬底上外延AlGaN基深紫外LED的应力工程、器件制备，以及器件对人类呼吸道RNA病毒消杀效率的研究。研究发现，通过在强压应力AlN/蓝宝石衬底与AlGaN外延层之间插入超晶格结构，能有效缓解衬底对外延层的强压应力，使得AlGaN外延层位错密度相比直接外延方式降低一个数量级以上，并且具有原子级平整的表面，可以显著提升外延LED界面质量。基于该方法，研究团队制备了具有256 nm、265 nm和278 nm等不同峰值波长的AlGaN基深紫外LED，对应光功率在100 mA下达到6.8 mW，9.6 mW和12.5 mW。
同时，研究团队在相同的光功率密度（0.8 mW/cm2）下，对不同波长对人类呼吸道RNA病毒SARS-CoV-2、IAV和人类副流感病毒（HPIV）的消杀效果进行了研究。结果表明，当病毒浓度为3.8×105 PFU/mL时，所有波长LED在60秒内均能100%消杀SARS-CoV-2和IAV。其中，256 nm-LED更是能在10秒时间内100%消杀SARS-CoV-2和IAV，展现出相比长波长LED更高的消杀效率。此外，更高病毒浓度和不同病毒附着表面环境下，256 nm-LED同样展现出极好的消杀效果。这些结果将有助于深紫外LED以更加便携、环保、广谱、高效的方式进行病毒消毒。
图1 AlGaN基深紫外LED工作波长、结构及其在消杀领域的应用
该工作以“Rapid inactivation of human respiratory RNA viruses by deep ultraviolet irradiation from light-emitting diodes on a high-temperature-annealed AlN/Sapphire template”为题发表在Opto-Electronic Advances（光电进展）2023年第9期。
研究团队简介
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所发光学及应用国家重点实验室黎大兵、孙晓娟研究团队主要从事宽禁带氮化物半导体材料及其光电子器件研究，涉及材料与器件物理、缺陷与掺杂调控、结构外延生长、LED及光电探测器件制备及应用等方面。研究团队专注宽禁带氮化物半导体领域10余年，目前拥有全职职工10余人、在读硕博20余人，在高质量AlN材料制备、氮化物缺陷演变规律、高效率超宽禁带氮化物p型掺杂新机制、高性能光电器件研制方面均取得了多项创新成果。近年来在Adv. Mater.、Light Sci. Appl.等期刊发表论文100余篇，申请国内外发明专利80余件，主持基金委杰青、优青、科技部重点研发计划等项目10余项，获吉林省自然科学一等奖等奖项。
黎大兵
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