نخستین چراغ ال‌ای‌دی کوانتومی جهان با سبوس برنج!

نقاط کوانتومی، از تلویزیون‌ها و سلول‌های خورشیدی گرفته تا درمان‌های پیشرفته سرطان، پتانسیل منحصربه‌فرد خود را در بسیاری از زمینه‌ها نشان می‌دهند، اما تولید آن‌ها در مقیاس انبوه با برخی از مسائل مربوط به محیط‌زیست مرتبط است.

اکنون دانشمندان دانشگاه "هیروشیما" در ژاپن با استفاده از پوسته برنج دور ریخته شده برای تولید اولین نور ال‌ای‌دی نقطه کوانتومی سیلیکونی جهان، مسیر سبزتری را در این زمینه نشان داده‌اند.

نقاط کوانتومی (QDs) نیمه هادی‌های کوچک و با اندازه زیر ۱۰ نانومتر هستند و دارای خواص الکترونیکی هستند که به دلیل مکانیک کوانتومی با ذرات بزرگ‌تر تفاوت دارند. آن‌ها موضوعی اصلی برای فناوری نانو هستند. هنگامی که نقاط کوانتومی توسط نور فرابنفش روشن می‌شوند، یک الکترون در نقطه کوانتومی می‌تواند در حالت انرژی بالاتر برانگیخته شود. در مورد نقطه کوانتومی، این فرآیند مربوط به انتقال یک الکترون از باند ظرفیت به باند رسانش است. الکترون برانگیخته می‌تواند به نوار ظرفیت بازگردد و انرژی خود را با انتشار نور آزاد کند که رنگ آن نور به اختلاف انرژی بین باند رسانش و باند ظرفیت بستگی دارد.

به زبان علم مواد، مواد نیمه هادی نانو مقیاس محکم یا الکترون‌ها یا سوراخ‌های الکترونی را محکم بسته‌اند. نقاط کوانتومی بعضی اوقات به اتم‌های غیر مصنوعی گفته می‌شود و بر تکین بودن آنها، داشتن حالت‌های الکترونیکی محدود، مانند مواد اتمی یا مولکول‌های طبیعی تأکید می‌شود. نشان داده شده است که موج الکترونیکی توابع کوانتومی را با اتم‌های واقعی شباهت می‌دهد. با اتصال دو یا چند نقطه کوانتومی، می‌توان یک مولکول مصنوعی ساخت.

نقاط کوانتومی دارای خواص واسطه‌ای بین نیمه هادی‌های فله و اتم‌ها یا مولکول‌های گسسته هستند. ویژگی‌های انتخابی آن‌ها به عنوان تابعی از اندازه و شکل تغییر می‌کند. نقاط کوانتومی بزرگتر با قطر پنج تا شش نانومتر از طول موج‌های طولانی‌تر با رنگ‌هایی مانند نارنجی یا قرمز ساطع می‌کنند. نقاط کوانتومی کوچک‌تر از طول موج کوتاه‌تر ساطع می‌شوند و رنگ‌هایی مانند آبی و سبز به همراه می‌آورند. با این حال، رنگ‌های خاص بسته به ترکیب دقیق نقاط کوانتومی متفاوت است.

کاربرد‌های بالقوه نقاط کوانتومی شامل ترانزیستور‌های تک الکترونی، سلول‌های خورشیدی، ال‌ای‌دی، لیزرها، منابع تک فوتونی، نسل دوم هارمونیک، محاسبات کوانتومی و تصویربرداری پزشکی است. اندازه کوچک آن‌ها اجازه می‌دهد تا برخی نقاط کوانتومی در محلول به حالت تعلیق درآیند که ممکن است منجر به استفاده در چاپ جوهر افشان و پوشش اسپین شود.

"کن-ایچی سایتو" نویسنده اصلی این مطالعه و استاد شیمی در دانشگاه "هیروشیما" می‌گوید: از آنجایی که نقاط کوانتومی معمولی اغلب حاوی مواد سمی مانند کادمیوم، سرب یا سایر فلزات سنگین هستند، نگرانی‌های زیست‌محیطی اغلب هنگام استفاده از نانومواد مورد بررسی می‌گیرند. در حالی که فرآیند پیشنهادی ما و روش ساخت نقاط کوانتومی این نگرانی‌ها را به حداقل می‌رساند.

نوع نقاط کوانتومی که "سایتو" و تیمش دنبال می‌کنند، نقاط کوانتومی سیلیکونی هستند که از فلزات سنگین دوری می‌کنند و مزایای دیگری نیز دارند. پایداری و دمای عملیاتی بالاتر، آن‌ها را به یکی از نامزد‌های پیشرو برای استفاده در محاسبات کوانتومی تبدیل می‌کند، در حالی که ماهیت غیر سمی‌شان، آن‌ها را برای استفاده در کاربرد‌های پزشکی مناسب می‌کند.

این مطالعه به دنبال ایجاد نوع جدیدی از نقطه کوانتومی سیلیکونی است که از مواد زائد (سبوس برنج) استفاده می‌کند، مواد زائد و دورریزی که سالیانه منجر به تولید حدود ۱۰۰ میلیون تن ضایعات پوسته برنج در سطح جهان می‌شود.

این پوسته‌های برنج در واقع یک منبع عالی از سیلیکون هستند که دانشمندان توانستند به لطف یک روش پردازش جدید از آن بهره ببرند. روش آن‌ها شامل آسیاب کردن پوسته برنج و سوزاندن ترکیبات آلی برای استخراج پودر سیلیس است که سپس در یک کوره گرم می‌شود. سپس ذرات پودر سیلیس خالص شده کوچک‌تر می‌شوند و به حلال اضافه می‌شوند تا سطح آن‌ها از نظر شیمیایی فعال شود. محصول نهایی، نقاط کوانتومی سیلیکونی به اندازه سه نانومتر است که در محدوده نارنجی-قرمز درخشندگی دارند.

سپس لایه‌ای از این نقاط کوانتومی سیلیکونی با لایه‌های مواد دیگر از جمله یک زیرلایه شیشه‌ای حاوی "ایندیم-قلع-اکسید" به عنوان آند و یک لایه آلومینیومی برای عمل به عنوان کاتد و تشکیل یک LED ترکیب شد.

"سایتو" می‌گوید: این اولین تحقیقی است که از پوسته‌های دورریز برنج یک LED ایجاد می‌کند.

اکنون دانشمندان امیدوارند که عملکرد این ال‌ای‌دی‌ها را بهبود بخشند تا آن‌ها را به طور موثرتری درخشنده کنند و نسخه‌هایی را در رنگ‌هایی غیر از نارنجی-قرمز توسعه دهند.

آن‌ها همچنین تصور می‌کنند که این تکنیک برای استفاده از سایر ضایعات گیاهی مانند گندم، جو و علوفه قابل اقتباس باشد.

این مطالعه در مجله ACS Sustainable Chemistry & Engineering منتشر شده است.