Idag används petrokemiska föreningar och sällsynta metaller som platina och iridium för att producera halvledare för optoelektronik, såsom organiska lysdioder för supertunna TV- och mobiltelefonskärmar. Fysiker vid Umeå universitet har i samarbete med forskare i Danmark och Kina upptäckt ett mer hållbart alternativ. Genom att tryckkoka björklöv plockade på Umeå universitets campus har de tagit fram en kolpartikel i nanostorlek med önskade optiska egenskaper.
– Kärnan i vår forskning är att utnyttja närliggande förnybara resurser för att producera organiskt halvledarmaterial, säger Jia Wang, forskarassistent vid Fysiska institutionen, Umeå universitet, och en av författarna till studien som har publicerats i Grön kemi .
Organiska halvledare är viktiga funktionella material i optoelektroniska tillämpningar. En applikation är organiska lysdioder, OLED, bestående av ultratunna och ljusstarka TV- och mobiltelefonskärmar. Kraftigt ökande efterfrågan på denna avancerade teknik driver på massiv produktion av organiska halvledarmaterial.
Tyvärr produceras dessa halvledare för närvarande huvudsakligen av petrokemiska föreningar och sällsynta grundämnen som erhållits genom miljöskadlig gruvdrift. Dessutom innehåller dessa material ofta så kallade "kritiska råvaror" som är en bristvara, såsom platina, indium och fosfor.
Ur hållbarhetssynpunkt vore det idealiskt om vi kan använda biomassa från växter, djur och avfall för att producera organiska halvledarmaterial. Dessa utgångsmaterial är förnybara och rikligt tillgängliga. Forskarstipendiaten Jia Wang och hennes kollegor vid institutionen för fysik har tillsammans med internationella partners lyckats ta fram ett sådant biobaserat halvledarmaterial.
Syntesprocessen är enkel:De plockade björklöv på Umeå campus och tillagade dem i en tryckkokare. Det gav "kolprickar" ungefär två nanometer stora som avger ett smalbandigt, djuprött ljus när de löstes i etanol. Vissa av de optiska egenskaperna hos dessa kolprickar av björklöv är jämförbara med kommersiella kvantprickar som för närvarande används i halvledarmaterial, men till skillnad från dem innehåller de inga tungmetaller eller kritiska råmaterial.
"Det är viktigt att notera att vår metod inte är begränsad till björklöv", förklarar Jia Wang. "Vi testade olika växtblad med samma tryckkokningsmetod, och alla producerade liknande rödavgivande kolprickar. Denna mångsidighet tyder på att omvandlingsprocessen kan användas på olika platser."
Med hjälp av kolprickarna i en ljusemitterande elektrokemisk cellanordning kunde forskarna visa att den genererade ljusstyrkan var 100 cd/m 2 , vilket är jämförbart med ljusintensiteten från en datorskärm.
"Detta resultat visar att det är möjligt att övergå från att utarma petroleumföreningar till att regenerera biomassa som råmaterial för organiska halvledare", säger Jia Wang.
Hon betonar den bredare potentialen hos kolprickar utöver bara ljusavgivande enheter.
"Kolprickar är lovande för olika applikationer, från bioavbildning och avkänning till anti-förfalskning. Vi är öppna för samarbeten och ivriga att utforska mer spännande användningsområden för dessa emissiva och hållbara kolprickar", säger Jia Wang.
Mer information: Shi Tang et al, Fluorescerande kolprickar från björklöv för hållbara elektroluminescerande enheter, Green Chemistry (2023). DOI:10.1039/D3GC03827K
Journalinformation: Grön kemi
Tillhandahålls av Umeå universitet
