Heute werden aus petrochemischen Verbindungen und seltenen Metallen wie Platin und Iridium Halbleiter für die Optoelektronik hergestellt, etwa organische LEDs für superdünne Fernseh- und Handybildschirme. Physiker der Universität Umeå haben in Zusammenarbeit mit Forschern in Dänemark und China eine nachhaltigere Alternative entdeckt. Durch Druckkochen von Birkenblättern, die auf dem Campus der Universität Umeå gepflückt wurden, haben sie ein Kohlenstoffpartikel in Nanogröße mit den gewünschten optischen Eigenschaften hergestellt.
„Der Kern unserer Forschung besteht darin, erneuerbare Ressourcen in der Nähe für die Herstellung organischer Halbleitermaterialien zu nutzen“, sagt Jia Wang, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fachbereich Physik der Universität Umeå und einer der Autoren der vorliegenden Studie veröffentlicht In Grüne Chemie.
Organische Halbleiter sind wichtige Funktionsmaterialien in optoelektronischen Anwendungen. Eine Anwendung sind organische Leuchtdioden (OLEDs), bestehend aus ultradünnen und hellen Fernseh- und Mobiltelefonbildschirmen. Die stark steigende Nachfrage nach dieser fortschrittlichen Technologie treibt die Massenproduktion organischer Halbleitermaterialien voran.
Leider werden diese Halbleiter derzeit hauptsächlich aus petrochemischen Verbindungen und seltenen Elementen hergestellt, die durch umweltschädlichen Bergbau gewonnen werden. Darüber hinaus enthalten diese Materialien häufig sogenannte „kritische Rohstoffe“, die knapp sind, wie beispielsweise Platin, Indium und Phosphor.
Aus Sicht der Nachhaltigkeit wäre es ideal, wenn wir Biomasse aus Pflanzen, Tieren und Abfällen zur Herstellung organischer Halbleitermaterialien nutzen könnten. Diese Ausgangsstoffe sind erneuerbar und reichlich vorhanden. Der Forscherin Jia Wang und ihren Kollegen am Fachbereich Physik ist es gemeinsam mit internationalen Partnern gelungen, ein solches biobasiertes Halbleitermaterial herzustellen.
Birkenblätter im Schnellkochtopf
Der Syntheseprozess ist einfach: Sie pflückten auf dem Campus in Umeå Birkenblätter und kochten sie in einem Schnellkochtopf. Dabei entstanden etwa zwei Nanometer große „Kohlenstoffpunkte“, die in Ethanol gelöst ein schmalbandiges, tiefrotes Licht aussenden. Einige der optischen Eigenschaften dieser Birkenblatt-Kohlenstoffpunkte sind vergleichbar mit kommerziellen Quantenpunkten, die derzeit in Halbleitermaterialien verwendet werden, enthalten jedoch im Gegensatz zu diesen keine Schwermetalle oder kritische Rohstoffe.
„Es ist wichtig zu beachten, dass unsere Methode nicht auf Birkenblätter beschränkt ist“, erklärt Jia Wang. „Wir haben verschiedene Pflanzenblätter mit der gleichen Schnellkochmethode getestet und alle produzierten ähnliche rot emittierende Kohlenstoffpunkte. Diese Vielseitigkeit legt nahe, dass der Transformationsprozess an verschiedenen Orten eingesetzt werden kann.“
Mithilfe der Kohlenstoffpunkte in einem lichtemittierenden elektrochemischen Zellgerät konnten die Forscher zeigen, dass die erzeugte Helligkeit 100 cd/m2 betrug, was mit der Lichtintensität eines Computerbildschirms vergleichbar ist.
„Dieses Ergebnis zeigt, dass der Übergang von der Erschöpfung von Erdölverbindungen zur Regeneration von Biomasse als Rohstoff für organische Halbleiter möglich ist“, sagt Jia Wang.
Sie betont das umfassendere Potenzial von Kohlenstoffpunkten, das über nur lichtemittierende Geräte hinausgeht.
„Kohlenstoffpunkte sind für verschiedene Anwendungen vielversprechend, von der Biobildgebung und Sensorik bis hin zur Fälschungsbekämpfung. Wir sind offen für Kooperationen und bestrebt, weitere spannende Einsatzmöglichkeiten für diese emittierenden und nachhaltigen Kohlenstoffpunkte zu erkunden“, sagt Jia Wang.
Mehr Informationen:
Shi Tang et al., Fluoreszierende Kohlenstoffpunkte aus Birkenblättern für nachhaltige Elektrolumineszenzgeräte, Grüne Chemie (2023). DOI: 10.1039/D3GC03827K