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用稻殼制作LED難嗎？

日期：2022-03-28 瀏覽次數(shù)：次

“稻殼”這幾年在硅基材料生產(chǎn)界也算是個(gè)?？土耍瓦B豪車凱迪拉克的輪胎也有產(chǎn)自稻殼的原料。畢竟稻殼燃燒后的灰燼中含有大量的二氧化硅(85wt%以上)以及少量的鉀、鈣、鐵、鎂等元素的氧化物，僅在中國每年就能產(chǎn)生約4000萬噸稻殼。如果不能將這些稻殼回收利用，確實(shí)是可惜。

稻殼二氧化硅輪胎

固特異為凱迪拉克定制的輪胎，使用了大豆油和稻殼二氧化硅作為主要成分

不過在二月，一個(gè)很有意思的新聞出現(xiàn)在人們眼中，來自日本廣島大學(xué)科學(xué)家不再用稻殼做二氧化硅了，而是利用稻殼中含有的二氧化硅，合成了可發(fā)出橙色光的納米硅（硅量子點(diǎn)；SiQD），并且成功地更進(jìn)一步開發(fā)出硅量子點(diǎn)LED。為啥在此之前沒人這么做呢，是因?yàn)殡y嗎？

研發(fā)背景

通過查閱資料我們可以得知，硅雖然是一種很重要的半導(dǎo)體材料，是當(dāng)今半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。但硅有一個(gè)明顯的不足，即難以高效率地發(fā)光，這主要是因?yàn)楣枋情g接帶隙半導(dǎo)體，電子與空穴的復(fù)合需要聲子的參與，導(dǎo)致其輻射復(fù)合幾率極低。不過在20世紀(jì)90年代時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)多孔硅可以高效地發(fā)光。后來的研究表明，硅量子點(diǎn)(SiQDs)通常存在于多孔硅中，多孔硅的發(fā)光主要源于硅量子點(diǎn)的發(fā)光。

那硅量子點(diǎn)是什么呢？對于包括硅在內(nèi)的半導(dǎo)體材料而言，當(dāng)其尺寸小于其波爾半徑之后，會表現(xiàn)出與體材料不同的性質(zhì)。對于硅材料而言，其波爾半徑為 4.9nm。因此，尺寸小于 4.9 nm的硅晶體可以被稱為硅量子點(diǎn)。對于量子點(diǎn)而言，它會呈現(xiàn)出量子限域效應(yīng)、表面效應(yīng)和多激子效應(yīng)等納米材料特有的效應(yīng)，因此各種存在形態(tài)的硅量子點(diǎn)都具有比體硅材料優(yōu)異得多的發(fā)光性能。由于量子限域效應(yīng)，硅量子點(diǎn)的禁帶寬度一般會隨硅量子點(diǎn)尺寸的減小而增加，從而導(dǎo)致硅量子點(diǎn)的光吸收和發(fā)光能量隨著尺寸減小而藍(lán)移。

硅量子點(diǎn)在紫外光激發(fā)下的發(fā)光

硅量子點(diǎn)在紫外光激發(fā)下的發(fā)光照片

正由于硅量子點(diǎn)表現(xiàn)出來的明顯不同于體硅材料的電子和光學(xué)性質(zhì)，促使了人們思考硅量子點(diǎn)在光電器件領(lǐng)域的應(yīng)用，首先努力的方向就是利用硅量子點(diǎn)優(yōu)異的發(fā)光性能制備發(fā)光器件如LED。

從二氧化硅到硅的過程

從新聞中，我們可以得知廣島大學(xué)的靈感，來源于他們發(fā)現(xiàn)稻殼中所含二氧化硅還原取得的多孔硅，應(yīng)用作為鋰離子電池負(fù)極材料時(shí)能帶來良好的充放電特性（比一般硅高5倍），且容量約為市售鋰離子電池的10倍（這可能得益于從稻殼提取出二氧化硅并轉(zhuǎn)化成硅的過程中，會保存二氧化硅層原來的三維多孔納米結(jié)構(gòu)）。于是他們便展開了利用稻殼制備SiQD與SiQD LED的研究開發(fā)。

研究團(tuán)隊(duì)將稻殼透過酸處理去除無機(jī)物質(zhì)中的雜質(zhì)，經(jīng)過酸處理的稻殼經(jīng)過燃燒后獲得二氧化硅，隨后將二氧化硅與鎂粉末混合、加熱使其進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，進(jìn)而獲得多孔質(zhì)的硅粉末。此外，從稻殼中獲得二氧化硅與多孔硅的產(chǎn)收率分別為100%與86%。

這些多孔質(zhì)的硅粉末會繼續(xù)利用酸處理（化學(xué)蝕刻）將微小化至納米尺寸，此時(shí)若以紫外線照射生成物后就可發(fā)出橙色光（發(fā)光效率1～2%）。接著再以烴基取代表面的氫，進(jìn)而制作出分散性、耐久性及發(fā)光效率皆有所提升的SiQD。

從報(bào)道中可得知，最終產(chǎn)物的SiQD可發(fā)出橙色光，發(fā)光效率則為21%。由于SiQD分散在溶液中，因此LED制造可利用無需真空且低溫的溶液制程，制造流程更加簡便。制作出的LED尺寸為2×2 cm，發(fā)光面的面積則為4 mm²，可如同OLED般發(fā)出表面光，與一般市售LED（子彈型）的點(diǎn)發(fā)光相比，發(fā)光面積約為40倍。

用稻殼制作LED難嗎？