“稻(dao)壳”这(zhei)(zhei)几(ji)年(nian)在(zai)硅基材料(liao)生产(chan)界也算是个常客了(le)，就(jiu)(jiu)连豪车凯迪拉克的(de)(de)轮胎也有产(chan)自(zi)稻(dao)壳的(de)(de)原(yuan)料(liao)。毕竟稻(dao)壳燃烧后的(de)(de)灰烬中含(han)有大量的(de)(de)二氧化硅(85wt%以上)以及少量的(de)(de)钾、钙(gai)、铁、镁等元素的(de)(de)氧化物，仅(jin)在(zai)中国每年(nian)就(jiu)(jiu)能产(chan)生约4000万吨稻(dao)壳。如果不能将(jiang)这(zhei)(zhei)些稻(dao)壳回收利用(yong)，确实是可惜。
固特异为凯迪拉克定制的轮胎，使用了大豆油和稻壳二氧化硅作为主要成分
不过在二(er)月，一个很有(you)意思(si)的新闻出(chu)现在人们眼中，来自日本(ben)广岛(dao)大学(xue)科学(xue)家不再用稻壳做二(er)氧化硅(gui)(gui)了，而是(shi)利用稻壳中含有(you)的二(er)氧化硅(gui)(gui)，合成了可发出橙(cheng)色光(guang)的纳(na)米硅（硅量子(zi)点；SiQD），并且成功地更进一步开发出硅量子点LED。为啥在此之前(qian)没人这么做呢，是因为难吗(ma)？
研发背景
通(tong)过查阅资料(liao)(liao)我们(men)可(ke)以(yi)得知(zhi)，硅(gui)(gui)虽然是(shi)(shi)一种很重要的(de)(de)半导(dao)(dao)(dao)体(ti)材料(liao)(liao)，是(shi)(shi)当今半导(dao)(dao)(dao)体(ti)产(chan)业的(de)(de)基础。但硅(gui)(gui)有一个明显的(de)(de)不(bu)足，即(ji)难以(yi)高效率地发光，这主(zhu)要是(shi)(shi)因为硅(gui)(gui)是(shi)(shi)间接(jie)带隙半导(dao)(dao)(dao)体(ti)，电子与(yu)空穴的(de)(de)复合需要声子的(de)(de)参与(yu)，导(dao)(dao)(dao)致(zhi)其辐射(she)复合几率极低。不(bu)过在20世纪90年代时，人们(men)发现(xian)多孔(kong)硅(gui)可(ke)以高效地发光。后(hou)来的(de)研究表明，硅量子点(dian)(SiQDs)通常存在于多孔硅中，多孔硅的发光主要源于硅量(liang)子点(dian)的(de)发(fa)光。
那硅量子点是(shi)什么呢(ni)？对于包括硅(gui)在内的半(ban)导体材料而(er)言，当其尺寸小于其波(bo)尔半(ban)径(jing)之后，会表现出与体材料不同的性(xing)质。对于硅(gui)材料而(er)言，其波(bo)尔半(ban)径(jing)为 4.9nm。因此，尺寸小于 4.9 nm的硅晶体可以被称为硅量子点。对于量子点而言，它会呈现出量子限域效应、表面效应和多激子效应等纳米材料特有的效应，因此(ci)各(ge)种存(cun)在形态的硅量(liang)子(zi)(zi)点(dian)都具有比体硅材(cai)料优异得(de)多的发(fa)光性(xing)能(neng)(neng)。由于(yu)量(liang)子(zi)(zi)限域效(xiao)应，硅量(liang)子(zi)(zi)点(dian)的禁带宽(kuan)度一般会随(sui)硅量(liang)子(zi)(zi)点(dian)尺(chi)寸的减(jian)小而(er)增加，从而(er)导致硅量(liang)子(zi)(zi)点(dian)的光吸收和发(fa)光能(neng)(neng)量(liang)随(sui)着尺(chi)寸减(jian)小而(er)蓝(lan)移。
硅量(liang)子(zi)点在紫外光激发(fa)下的发(fa)光照片(pian)
正由于硅(gui)量子(zi)点表现出来的(de)(de)(de)明显不(bu)同于体硅(gui)材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)电(dian)子(zi)和光(guang)(guang)学性质，促使(shi)了人们思考硅(gui)量子(zi)点在(zai)光(guang)(guang)电(dian)器件(jian)领(ling)域的(de)(de)(de)应(ying)用(yong)，首先(xian)努力的(de)(de)(de)方向就是利用(yong)硅(gui)量子(zi)点优(you)异的(de)(de)(de)发光(guang)(guang)性能制备发光(guang)(guang)器件(jian)如LED。
从二(er)氧(yang)化硅到硅的过程
从(cong)新(xin)闻中，我(wo)们(men)可以得知广岛大学(xue)的灵感，来(lai)源于他们(men)发现(xian)稻壳中所含二氧(yang)化硅(gui)还原取(qu)得的多孔硅(gui)，应用作为锂(li)离子电池负极材料时能带来(lai)良(liang)好的充放电特(te)性（比(bi)一般硅(gui)高(gao)5倍），且容量约为市售锂(li)离子电(dian)池的10倍（这可能得益于从稻壳提取出(chu)二(er)氧(yang)化(hua)硅(gui)并转(zhuan)化(hua)成硅(gui)的过程中，会保存二(er)氧(yang)化(hua)硅(gui)层原来的三维(wei)多(duo)孔纳米结(jie)构）。于(yu)是他(ta)们(men)便展开了利用稻壳制备SiQD与SiQD LED的研究开发。
研究团队将(jiang)稻(dao)壳透(tou)过(guo)酸处理(li)去除(chu)无机物质中的杂质，经(jing)过(guo)酸处理(li)的稻(dao)壳经(jing)过(guo)燃烧后(hou)获(huo)得二(er)氧化硅(gui)(gui)(gui)，随后(hou)将(jiang)二(er)氧化硅(gui)(gui)(gui)与镁(mei)粉末混合、加(jia)热使其进行氧化还(hai)原反应，进而获(huo)得多(duo)孔(kong)质的硅(gui)(gui)(gui)粉末。此外，从(cong)稻(dao)壳中获(huo)得二(er)氧化硅(gui)(gui)(gui)与多(duo)孔(kong)硅(gui)(gui)(gui)的产收率分别为100%与86%。
这些多孔质的硅(gui)粉末会继(ji)续利用酸(suan)处理（化学蚀刻）将微小化至纳米尺寸，此(ci)时若以(yi)紫外线照射(she)生成物后就可发(fa)出(chu)橙(cheng)色光（发(fa)光效率(lv)1～2%）。接(jie)着再以(yi)烃基(ji)取代表面的氢，进而制(zhi)作出(chu)分散性、耐久性及(ji)发(fa)光效率(lv)皆有所提(ti)升的SiQD。
从报道中可得知(zhi)，最终产物的SiQD可发出橙色光，发光效率则为21%。由于SiQD分散在溶液中，因此LED制造可(ke)利用无需真空且低温(wen)的(de)溶液制程，制造流程更加(jia)简便(bian)。制作出(chu)的(de)LED尺寸为2×2 cm，发光面的面积则为4 mm2，可如同OLED般发出表面光，与一般市售LED（子弹型）的点发光(guang)相比，发光(guang)面(mian)积约为40倍。
(a)作为原(yuan)始材料(liao)的(de)氢基(ji)硅(gui)烷 (b)上述a的(de)粉末 (c)烧结上述b的(de)生成物
(d)红色(se)发(fa)光的(de)硅量子点，分散(san)在溶液中 (e)上述d的(de)电子显微镜(jing)图像
总(zong)结
就这么看上(shang)去，用(yong)稻壳制备LED好像也不(bu)是一(yi)(yi)件特别难的(de)事(shi)，所以(yi)这项研(yan)究结果(guo)的(de)珍贵之处，或许就在于思(si)路的(de)突破。为什么这种(zhong)硅材料可(ke)以(yi)让(rang)锂电池性(xing)能获得大幅提(ti)升，是不(bu)是可(ke)以(yi)用(yong)类似的(de)方法改变本不(bu)适用(yong)于做发光材料的(de)硅？科学(xue)家(jia)们为我(wo)们上(shang)了一(yi)(yi)堂跨界思(si)维的(de)课。
总之，无论这项(xiang)世界(jie)上第一个(ge)以植物为原料(liao)，活用生物质(zhi)类天然(ran)材料(liao)的(de)(de)LED制造方法能不(bu)能实际应用上，这样的(de)(de)思(si)考方法永远都是值得(de)我(wo)们学(xue)习的(de)(de)。
粉体圈NANA
本(ben)文为粉体圈原创作品，未经(jing)许可(ke)，不得转载，也(ye)不得歪曲、篡改(gai)或复(fu)制本(ben)文内(nei)容，否则(ze)本(ben)公司将(jiang)依法追(zhui)究法律责(ze)任。
