Les premières lampes à DEL au monde développées à partir de balles de riz

Le broyage du riz pour séparer le grain de l'enveloppe produit environ 100 millions de tonnes de déchets de balles de riz dans le monde chaque année. Des scientifiques à la recherche d'une méthode évolutive pour fabriquer des points quantiques ont mis au point un moyen de recycler les balles de riz pour créer la première diode électroluminescente à points quantiques (QD) en silicium. Leur nouvelle méthode transforme les déchets agricoles en diodes électroluminescentes de pointe, à faible coût et de manière écologique.

L'équipe de recherche du Natural Science Center for Basic Research and Development de l'université d'Hiroshima a publié ses conclusions le 28 janvier 2022 dans la revue ACS Sustainable Chemistry & Engineering de l'American Chemical Society.

"Comme les QD typiques impliquent souvent des matériaux toxiques, tels que le cadmium, le plomb ou d'autres métaux lourds, les préoccupations environnementales ont été fréquemment délibérées lors de l'utilisation de nanomatériaux. Le processus et la méthode de fabrication des QD que nous proposons minimisent ces préoccupations", a déclaré Ken-ichi Saitow, auteur principal de l'étude et professeur de chimie à l'université d'Hiroshima.

Depuis la découverte du silicium poreux (Si) dans les années 1950, les scientifiques ont exploré ses utilisations dans les batteries lithium-ion, les matériaux luminescents, les capteurs biomédicaux et les systèmes d'administration de médicaments. Non toxique et présent en abondance dans la nature, le Si possède des propriétés de photoluminescence, provenant de ses structures de points microscopiques (de taille quantique) qui servent de semi-conducteurs.

Conscients des préoccupations environnementales entourant les points quantiques actuels, les chercheurs se sont mis en quête d'une nouvelle méthode de fabrication de points quantiques ayant un impact positif sur l'environnement. Il s'avère que les déchets de balles de riz sont une excellente source de silice (SiO2) de haute pureté et de poudre de Si à valeur ajoutée.

L'équipe a utilisé une combinaison de broyage, de traitements thermiques et de gravure chimique pour traiter la silice de balle de riz : Tout d'abord, ils ont broyé les balles de riz et extrait les poudres de silice (SiO2) en brûlant les composés organiques des balles de riz broyées. Deuxièmement, ils ont chauffé la poudre de silice obtenue dans un four électrique pour obtenir des poudres de Si par une réaction de réduction. Troisièmement, le produit était une poudre de Si purifiée qui a été réduite à une taille de 3 nanomètres par gravure chimique. Enfin, sa surface a été fonctionnalisée chimiquement pour une grande stabilité chimique et une grande dispersivité dans le solvant, avec des particules cristallines de 3 nm pour produire les SiQDs qui luminescent dans la gamme orange-rouge avec une efficacité de luminescence élevée de plus de 20 %.

"Il s'agit de la première recherche visant à développer une LED à partir de déchets de balles de riz", a déclaré Saitow, ajoutant que la qualité non toxique du silicium en fait une alternative attrayante aux points quantiques semi-conducteurs actuellement disponibles.

"La présente méthode devient une méthode noble pour développer des LED à points quantiques écologiques à partir de produits naturels", a-t-il ajouté.

Les LED ont été assemblées sous la forme d'une série de couches de matériaux. Un substrat en verre d'oxyde d'indium et d'étain (ITO) constituait l'anode de la LED ; il est un bon conducteur d'électricité tout en étant suffisamment transparent pour l'émission de lumière. Des couches supplémentaires ont été déposées par centrifugation sur le verre ITO, notamment la couche de SiQDs. Le matériau a été recouvert d'une cathode en film d'aluminium.

La méthode de synthèse chimique mise au point par l'équipe leur a permis d'évaluer les propriétés optiques et optoélectriques de la diode électroluminescente SiQD, notamment les structures, les rendements de synthèse et les propriétés des poudres de SiO2 et de Si et des SiQD.

"En synthétisant des SiQD à haut rendement à partir de coques riches et en les dispersant dans des solvants organiques, il est possible qu'un jour ces procédés puissent être mis en œuvre à grande échelle, comme d'autres procédés chimiques à haut rendement", a déclaré Saitow.

Les prochaines étapes de l'équipe comprennent le développement d'une luminescence plus efficace dans les SiQDs et les LEDs. Elle étudiera également la possibilité de produire des LED SiQD d'une autre couleur que le rouge-orange qu'elle vient de créer. Pour l'avenir, les scientifiques suggèrent que la méthode qu'ils ont mise au point pourrait être appliquée à d'autres plantes, comme le bambou de la canne à sucre, le blé, l'orge ou les graminées, qui contiennent du SiO2. Ces produits naturels et leurs déchets pourraient être transformés en dispositifs optoélectroniques non toxiques. À terme, les scientifiques aimeraient voir la commercialisation de cette approche écologique de la création de dispositifs luminescents à partir de déchets de balles de riz.