Innovative Premiere: Forscher haben erstmals eine Leuchtdiode produziert, deren entscheidendes Bauteil aus biologischen Abfällen stammt – aus den Schalen von Reiskörnern. Diese Hülsen enthalten Siliziumdioxid, das leicht in Silizium-Quantenpunkte umgewandelt werden kann. Zusammen mit Elektroden bilden diese ungiftigen und nachhaltig erzeugten Quantenpunkte dann die Komponenten für eine orange-rote LED. Auch andere Biomaterialien könnte auf diese Weise verwendet werden, so das Team.
Viele moderne Leuchtdioden (LED) bekommen ihre Leuchtkraft und Farbe durch Quantenpunkte – nanometerkleine Atomansammlungen aus Halbleitermaterial, die durch Stromzufuhr angeregt werden und Licht abgeben. Weil das abgestrahlte Licht nur einen engen Wellenbereich umfasst, sind die Farben solche Quantenpunkt-LEDs (QLED) intensiver und schärfer abgrenzbar als bei klassischen LEDs. Quantenpunkt-LEDS können zudem auch als Einzelphotonenquelle in der Quantenphysik eingesetzt werden.
Reishülsen als Silizium-Lieferant
Das Problem jedoch: „Typische Quantenpunkte basieren auf giftigen Materialien wie Kadmium, Blei oder andere Schwermetallen, mit denen auch Umweltprobleme verbunden sind“, erklärt Ken-ichi Saitow von der Hiroshima Universität. Er und sein Team haben daher nach einer Möglichkeit gesucht, die Quantenpunkte aus umweltfreundlicheren, nachhaltigen Materialien zu erzeugen – am besten solchen, die von Natur aus das Halbleitermaterial Silizium enthalten.
Fündig wurde das Team bei einem pflanzlichen Abfallprodukt, von dem weltweit 100 Millionen Tonnen jährlich anfallen: den Hülsen von Reiskörnern. Bei der Reisproduktion werden diese Schalen entfernt und bleiben ungenutzt übrig. Doch das Biomaterial enthält Silizium in Form von Siliziumdioxid, das sehr leicht in gut nutzbares poröses Silizium umgewandelt werden kann – und damit in ein Material, das sich für Quantenpunkte eignet, wie Saitow und seine Kollegen erklären.
Vom Schalenabfall zum Quantenpunkt
Für ihre Reis-Quantenpunkte schälten sie zunächst Reiskörner und gewannen das Siliziumdioxid aus den Schalen, indem sie deren organischen Bestandteile verbrannten und das Silikat extrahierten. Dann erhitzten sie das resultierende Siliziumdioxid-Pulver in einem Elektroofen unter reduzierenden Bedingungen und produzierten so Silizium. „Die Ausbeute der Extraktion lag bei rund 100 Prozent des Siliziumdioxids aus den Reishülsen und 86 Prozent des Siliziums“, berichten Saitow und seine Kollegen.
Das resultierende Siliziumpulver wurde anschließend durch chemisches Ätzen auf eine Körnergröße von nur noch drei Nanometern verkleinert und die Oberfläche der Siliziumkristalle durch ein Lösungsmittel passiviert – dies verhindert die unerwünschte chemische Weiterreaktion. Das Ergebnis waren winzige kristalline Halbleiterpartikel, die sich als Silizium-Quantenpunkte eignen: „Eine kolloidale Lösung der Silizium-Quantenpunkte zeigt eine orange-rote Photolumineszenz mit einer Wellenlänge von 680 Nanometern und einer Quantenausbeute von 21 Prozent“, schreibt das Team.
…und zur fertigen QLED
Im letzten Schritt konstruierten die Forscher eine Quantenpunkt-LED aus ihren Reishülsen-Körnchen. Dafür nutzten sie ein Indium-Zinnoxid (ITO)-Glassubstrat als Anode und einen Aluminiumschicht als Kathode. Zwischen beiden wurden mehre Schichten weiterer Materialien aufgetragen, darunter auch eine Schicht der Silizium-Quantenpunkte. Das Ergebnis ist eine Leuchtdiode, die orange-rotes Licht abgibt.
„Dies ist das erste Mal, dass eine LED aus ungenutzten Reishülsen entwickelt wurde“, sagt Saitow. Dieses Verfahren stelle eine umweltfreundliche und nachhaltige Alternative zur klassischen Quantenpunkt -Produktion her. „Diese Methode könnte künftig auch in großem Maßstab umgesetzt werden, wie andere chemische Prozesse auch“, so der Forscher. Er und sein Team arbeiten bereits daran, auch Quantenpunkte für andere Lichtfarben zu erzeugen.
Nach Ansicht der Forscher könnte die von ihnen entwickelten Extraktionsmethode auch dafür genutzt werden, um Siliziumdioxid auch aus anderen Naturmaterialien zu extrahieren, darunter Abfällen von Zuckerrohr, Getreide oder auch aus Gräsern. (ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2022; doi: 10.1021/acssuschemeng.1c04985)
Quelle: Hiroshima University
