ساخت نخستین چراغ ال‌ای‌دی نقاط کوانتومی در جهان

به گزارش خبرنگار گروه علم و فناوری خبرگزاری آنا از نیواطلس، نقاط کوانتومی پتانسیل منحصربه فردی در زمینه‌های مختلف از ساخت تلویزیون‌ و سلول‌های خورشیدی گرفت تا درمان پیشرفته سرطان دارد اما تولید این نقاط در مقیاس بالا خطراتی برای محیط زیست به هراه دارد. حال دانشمندان دانشگاه هیروشیما در ژاپن راهی سبز و پاک برای تولید نقاط کوانتومی پیدا کرده‌اند. گروه تحقیقاتی با استفاده از پوسته دور ریز برنج نخستین چراغ ال‌ای‌دی نقاط کوانتونی سیلیکونی را در جهان ساخته‌اند.

نقاط کوانتومی معمولا حاوی مواد سمی مانند سرب، کادمیوم و سایر فلزات سنگین می‌شوند، بنابراین ساخت آنها با استفاده از نانومواد باعث نگرانی‌های زیست‌محیطی بسیاری می‌شود. فرایند جدی دانشمندان ژاپنی این نگرانی‌ها را به حداقل می‌رساند. نوع نقاط کوانتومی به کار رفته در این چراغ ال‌ای‌دی از سیلیکون است، بنابراین فلز سنگینی در ساخت آن به کار نرفته است. ثبات و دمای عملیاتی بالای نقاط کوانتومی سیلیکونی باعث شده که گزینه مناسبی برای محاسبات کوانتومی باشد. از سوی دیگر ماهیت غیرسمی این نقاط امکان استفاده از آنها در حوزه پزشکی را نیز فراهم می‌کند.

گروه تحقیقاتی به دنبال ساخت نقاط کوانتومی سیلیکونی با استفاده از مواد دور ریز بود. سالانه ۱۰۰ میلیون تن پوسته برنج در جهان دور ریخته می‌شود. این پوسته‌ها منبع بزرگی از سیلیکون هستند. دانشمندان با استفاده از یک روش پردازش جدید از این منبع دور ریز برای ساخت نقاط سیلیکونی استفاده کردند.

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.