Tegenwoordig worden petrochemische verbindingen en zeldzame metalen zoals platina en iridium gebruikt om halfgeleiders voor opto-elektronica te produceren, zoals organische LED's voor superdunne tv- en mobiele telefoonschermen. Natuurkundigen van de Umeå Universiteit hebben in samenwerking met onderzoekers in Denemarken en China een duurzamer alternatief ontdekt. Door berkenbladeren die op de campus van de Universiteit van Umeå onder druk zijn geplukt onder druk te koken, hebben ze een koolstofdeeltje van nanogrootte geproduceerd met de gewenste optische eigenschappen.

"De essentie van ons onderzoek is het benutten van nabijgelegen hernieuwbare bronnen voor de productie van organische halfgeleidermaterialen", zegt Jia Wang, onderzoeksmedewerker bij het Departement Natuurkunde van de Universiteit van Umeå, en een van de auteurs van het onderzoek dat is gepubliceerd in Groene chemie .

Organische halfgeleiders zijn belangrijke functionele materialen in opto-elektronische toepassingen. Eén toepassing zijn organische lichtgevende diodes, OLED's, bestaande uit ultradunne en heldere tv- en mobiele telefoonschermen. De sterk toenemende vraag naar deze geavanceerde technologie stimuleert de massale productie van organische halfgeleidermaterialen.

Helaas worden deze halfgeleiders momenteel voornamelijk geproduceerd uit petrochemische verbindingen en zeldzame elementen die zijn verkregen via mijnbouw die schadelijk is voor het milieu. Bovendien bevatten deze materialen vaak zogenaamde ‘kritieke grondstoffen’ die schaars zijn, zoals platina, indium en fosfor.

Vanuit duurzaamheidsoogpunt zou het ideaal zijn als we biomassa uit planten, dieren en afval kunnen gebruiken om organische halfgeleidermaterialen te produceren. Deze uitgangsmaterialen zijn hernieuwbaar en ruimschoots beschikbaar. Onderzoekscollega Jia Wang en haar collega's van het Departement Natuurkunde zijn er samen met internationale partners in geslaagd een dergelijk biogebaseerd halfgeleidermateriaal te produceren.

Berkenbladeren in snelkookpan

Het syntheseproces is eenvoudig:ze plukten berkenbladeren op de Umeå-campus en kookten ze in een snelkookpan. Dat produceerde 'koolstofstippen' van ongeveer twee nanometer groot die een smalbandig, dieprood licht uitstralen wanneer ze zijn opgelost in ethanol. Sommige van de optische eigenschappen van deze koolstofstippen van berkenblad zijn vergelijkbaar met commerciële kwantumdots die momenteel worden gebruikt in halfgeleidermaterialen, maar in tegenstelling tot deze bevatten ze geen zware metalen of kritische grondstoffen.

"Het is belangrijk op te merken dat onze methode niet beperkt is tot berkenbladeren", legt Jia Wang uit. "We hebben verschillende plantenbladeren getest met dezelfde kookmethode onder druk, en ze produceerden allemaal vergelijkbare rode koolstofstippen. Deze veelzijdigheid suggereert dat het transformatieproces op verschillende locaties kan worden gebruikt."

Met behulp van de koolstofstippen in een lichtgevend elektrochemisch celapparaat konden de onderzoekers aantonen dat de gegenereerde helderheid 100 cd/m was ² , wat vergelijkbaar is met de lichtintensiteit van een computerscherm.

"Dit resultaat laat zien dat het mogelijk is om over te stappen van het uitputten van aardolieverbindingen naar het regenereren van biomassa als grondstof voor organische halfgeleiders", zegt Jia Wang.

Ze benadrukt het bredere potentieel van carbon dots dat verder gaat dan alleen lichtgevende apparaten.

"Carbon dots zijn veelbelovend voor verschillende toepassingen, van bio-imaging en detectie tot de bestrijding van namaak. We staan ​​open voor samenwerkingen en willen graag meer opwindende toepassingen voor deze emissieve en duurzame carbon dots verkennen", zegt Jia Wang.

Meer informatie: Shi Tang et al, Fluorescerende koolstofstippen uit berkenbladeren voor duurzame elektroluminescerende apparaten, Groene chemie (2023). DOI:10.1039/D3GC03827K

Journaalinformatie: Groene chemie

Aangeboden door Umea Universiteit