Представлены первые в мире светодиоды с квантовыми точками, сделанные из рисовой шелухи
От телевизоров до солнечных батарей и передовых методов лечения рака квантовые точки (КТ) начинают демонстрировать свой уникальный потенциал во многих областях, но их производство в больших масштабах вызовет некоторые проблемы, связанные с окружающей средой. Ученые из японского Университета Хиросимы продемонстрировали более экологичный путь движения вперед в этой области, используя выброшенную рисовую шелуху для производства первого в мире кремниевого светодиода с квантовыми точками.
«Поскольку в типичных квантовых точках часто используются токсичные материалы, такие как кадмий, свинец или другие тяжелые металлы, при использовании наноматериалов часто возникают экологические проблемы», — сказал Кен-ичи Сайтоу, ведущий автор исследования и профессор химии в Университете Хиросимы.
«Предложенный нами процесс и метод изготовления квантовых точек сводят к минимуму эти опасения».
Тип квантовых точек, которыми занимается Кен-ичи Сайтоу и его команда, — это кремниевые квантовые точки, в которых нет тяжелых металлов и есть некоторые другие преимущества.
Их стабильность и более высокие рабочие температуры делают их одними из ведущих кандидатов для использования в квантовых вычислениях, а их нетоксичность также делает их пригодными для использования в медицинских приложениях.
Исследование было направлено на разработку нового типа кремниевой квантовой точки, в которой используются отходы материалов.
Квантовые точки представляют собой полупроводниковые частицы размером в несколько нанометров, обладающие оптическими и электронными свойствами, которые отличаются от более крупных частиц из-за квантовой механики.
КТ являются центральной темой в нанотехнологиях. Когда квантовые точки освещаются УФ-светом, электрон в квантовой точке может быть возбужден до состояния с более высокой энергией. В случае полупроводниковой квантовой точки этот процесс соответствует переходу электрона из валентной зоны в зону проводимости. Возбужденный электрон может вернуться в валентную зону, высвобождая свою энергию путем испускания света. Цвет этого света зависит от разницы энергий между зоной проводимости и валентной зоной или от перехода между дискретными энергетическими состояниями.
Квантовые точки обладают промежуточными свойствами между массивными полупроводниками и дискретными атомами или молекулами. Их оптоэлектронные свойства меняются в зависимости от размера и формы. Более крупные КТ диаметром 5–6 нм, как правило, излучают более длинные волны с такими цветами, как оранжевый или красный. Меньшие КТ (2–3 нм) излучают более короткие волны, что дает такие цвета, как синий и зеленый. Однако конкретные цвета различаются в зависимости от точного состава КТ.
Ежегодно во всем мире образуется примерно 100 миллионов тонн отходов рисовой шелухи. Эта выброшенная рисовая шелуха на самом деле является отличным источником кремния, который ученые смогли извлечь благодаря новому методу обработки.
Технология включает в себя измельчение рисовой шелухи и сжигание органических соединений для извлечения порошков кремнезема, которые затем нагревают в печи.
Полученные частицы порошка очищенного диоксида кремния затем дополнительно уменьшают в размере и добавляют к растворителю для «химической функционализации» их поверхности. Готовый продукт представлял собой кремниевые квантовые точки размером 3 нанометра, люминесцирующие в оранжево-красном диапазоне.
Затем слой этих кремниевых квантовых точек был объединен со слоями других материалов, включая стеклянную подложку из оксида индия и олова, которая служила анодом, и алюминиевую пленку, действующую как катод, для формирования светодиода.
В дальнейшем ученые надеются улучшить характеристики светодиодов, чтобы они люминесцировали более эффективно, и разработать версии в других цветах, кроме оранжево-красного. Они также предполагают, что метод будет адаптирован для использования других растительных отходов, таких как пшеница и ячмень.
Исследование было опубликовано в журнале ACS Sustainable Chemistry & Engineering.