Optoelektronik Weltweit erste Leuchtdiode aus Reisschalen

Von Margit Kuther

Beim Mahlen von Reis fallen weltweit jedes Jahr etwa 100 Millionen Tonnen Reisschalen als Abfall an. Ein Forscherteam der Universität Hiroshima hat nun gezeigt, dass sich aus diesem Abfallprodukt Leuchtdioden herstellen lassen.

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Weltweit erste Leuchtdiode aus Reisschalen: Wissenschaftler der Uni Hiroshima haben aus Reisschalen und chemisch gewonnenen Produkten die weltweit erste Silizium-Quantenpunkt-LED hergestellt.
Weltweit erste Leuchtdiode aus Reisschalen: Wissenschaftler der Uni Hiroshima haben aus Reisschalen und chemisch gewonnenen Produkten die weltweit erste Silizium-Quantenpunkt-LED hergestellt.
(Bild: ACS Sustainable Chem. Eng.)

Die Wissenschaftler der Universität Hiroshima waren auf der Suche nach einer Möglichkeit zur Herstellung von Quantenpunkten (Quantum Dots, QDs). Dabei haben sie einen Weg gefunden, aus Reisschalen die erste Silizium-Quantenpunkt-LED herzustellen. Die neue Methode verwandelt landwirtschaftliche Abfälle auf kostengünstige und umweltfreundliche Weise in moderne Leuchtdioden.

„Da typische Quantenpunkte oft giftige Materialien wie Kadmium, Blei oder andere Schwermetalle enthalten, wurden bei der Verwendung von Nanomaterialien häufig Umweltbedenken geäußert“, erklärt Ken-ichi Saitow, Professor für Chemie an der Universität Hiroshima. „Der von uns vorgeschlagene Prozess und die Herstellungsmethode für QDs minimieren diese Bedenken.“

Silizium gibt es wie Sand am Meer

Seit der Entdeckung von porösem Silizium in den 1950er Jahren haben Wissenschaftler dessen Einsatzmöglichkeiten in Lithium-Ionen-Akkus, Leuchtstoffen, biomedizinischen Sensoren und Medikamenten-Verabreichungssystemen erforscht. Silizium ist ungiftig und kommt in der Natur reichlich vor. Es besitzt photolumineszente Eigenschaften, die auf seine mikroskopisch kleinen (quantengroßen) Punktstrukturen zurückzuführen sind, die als Halbleiter dienen.

Die Forscher der Universität Hiroshima waren sich der Umweltprobleme bewusst, die mit den derzeitigen Quantenpunkten verbunden sind, und suchten nach einer neuen Methode zur Herstellung von Quantenpunkten, die eine positive Auswirkung auf die Umwelt hat. Es stellte sich heraus, dass Reisschalenabfälle eine hervorragende Quelle für hochreines Siliziumdioxid (SiO₂) und wertvolles Siliziumpulver sind.

Das Team verwendete eine Kombination aus Mahlen, Wärmebehandlung und chemischem Ätzen, um das Reisschalen-Siliziumdioxid zu verarbeiten. Dabei wurden die Reisschalen zunächst gemahlen und das SiO₂-Pulver durch Abbrennen der organischen Verbindungen der gemahlenen Reisschalen extrahiert. Anschließend erhitzten sie das entstandene Kieselsäurepulver in einem Elektroofen, um durch eine Reduktionsreaktion Si-Pulver zu erhalten. So erhielten die Forscher ein gereinigtes Siliziumpulver, das durch chemisches Ätzen auf eine Größe von 3 nm reduziert wurde. Schließlich wurde die Oberfläche chemisch funktionalisiert, um eine hohe chemische Stabilität und eine hohe Dispergierbarkeit in Lösungsmitteln zu erreichen, wobei die kristallinen Teilchen eine Größe von 3 nm aufwiesen, um die Silizium-Quantenpunkte (SiQDs) herzustellen, die im orange-roten Bereich mit einer hohen Lumineszenzeffizienz von über 20 Prozent leuchten.

Erste LED aus Reisschalen

„Dies ist die erste Forschung zur Entwicklung einer LED aus Reisschalenabfällen“, betont Saitow. „Die ungiftige Qualität von Silizium macht sie zu einer attraktiven Alternative zu den heute verfügbaren halbleitenden Quantenpunkten. Diese Methode eignet sich bestens zur Entwicklung umweltfreundlicher Quantenpunkt-LEDs aus Naturprodukten.“

Die LEDs wurden aus einer Reihe von Materialschichten zusammengesetzt. Ein Indium-Zinn-Oxid (ITO)-Glassubstrat war die LED-Anode; es ist ein guter Stromleiter und gleichzeitig ausreichend transparent für die Lichtemission. Auf das ITO-Glas wurden weitere Schichten aufgeschleudert, darunter auch die Schicht aus SiQDs. Das Material wurde mit einer Aluminiumfilmkathode abgedeckt.

Chemische Synthesemethode bringt Forschung voran

Die vom Team entwickelte chemische Synthesemethode ermöglichte es, die optischen und optoelektrischen Eigenschaften der SiQD-Leuchtdiode zu bewerten, einschließlich der Strukturen, Syntheseausbeuten und Eigenschaften der SiO₂- und Siliziumpulver sowie der SiQDs.

„Indem wir SiQDs mit hoher Ausbeute aus reichen Schalen synthetisieren und in organischen Lösungsmitteln dispergieren, ist es möglich, dass diese Prozesse eines Tages in großem Maßstab umgesetzt werden können, wie andere chemische Prozesse mit hoher Ausbeute“, so Saitow.

Effizientere Lumineszenz als Ziel

Einer der nächsten Schritte ist die Entwicklung einer effizienteren Lumineszenz in den SiQDs und den LEDs. Das Forscherteam wird auch die Möglichkeit erforschen, SiQD-LEDs in einer anderen als der orange-roten Farbe herzustellen, die sie gerade entwickelt haben. Mit Blick auf die Zukunft schlagen die Wissenschaftler vor, dass die von ihnen entwickelte Methode auch auf andere Pflanzen angewendet werden könnte, die SiO₂ enthalten, z. B. Zuckerrohr, Bambus, Weizen, Gerste oder Gräser. Diese natürlichen Produkte und ihre Abfälle könnten das Potenzial haben, in ungiftige optoelektronische Geräte umgewandelt zu werden. Letztendlich möchten die Wissenschaftler diesen umweltfreundlichen Ansatz zur Herstellung leuchtender Geräte aus Reisschalenabfällen kommerziell nutzen.

Die Forschungsarbeiten werden von der Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) durch Next Generation World-Leading Researchers, Grants-in-Aid for Scientific Research der JSPS, das PRESTO Structure Control and Function-Programm der Japan Science and Technology Agency und die Japan Keirin Autorace Foundation (JKA) finanziert.

Das Forscherteam vom Naturwissenschaftlichen Zentrum für Grundlagenforschung und Entwicklung der Universität Hiroshima veröffentlichte seine Ergebnisse in der Zeitschrift Zur Originalveröffentlichung in ACS Sustainable Chemistry & Engineering der American Chemical Society.

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