Cuisson sous pression de feuilles de bouleau pour produire des matières premières pour semi-conducteurs organiques

Aujourd’hui, des composés pétrochimiques et des métaux rares tels que le platine et l’iridium sont utilisés pour produire des semi-conducteurs pour l’optoélectronique, tels que des LED organiques pour les écrans ultrafins de téléviseurs et de téléphones portables. Des physiciens de l’Université d’Umeå, en collaboration avec des chercheurs danois et chinois, ont découvert une alternative plus durable. En cuisant sous pression des feuilles de bouleau cueillies sur le campus de l’université d’Umeå, ils ont produit une particule de carbone de taille nanométrique dotée des propriétés optiques souhaitées.

“L’essence de notre recherche est d’exploiter les ressources renouvelables à proximité pour produire des matériaux semi-conducteurs organiques”, explique Jia Wang, chercheur au Département de physique de l’Université d’Umeå et l’un des auteurs de l’étude publiée dans Chimie verte.

Les semi-conducteurs organiques sont des matériaux fonctionnels importants dans les applications optoélectroniques. Une application concerne les diodes électroluminescentes organiques, les OLED, composées d’écrans de télévision et de téléphones portables ultra-minces et lumineux. La demande en forte augmentation pour cette technologie de pointe entraîne une production massive de matériaux semi-conducteurs organiques.

Malheureusement, ces semi-conducteurs sont actuellement produits principalement à partir de composés pétrochimiques et d’éléments rares obtenus grâce à des activités minières nuisibles à l’environnement. De plus, ces matériaux contiennent souvent des « matières premières critiques » qui sont rares, comme le platine, l’indium et le phosphore.

Du point de vue de la durabilité, l’idéal serait d’utiliser la biomasse provenant de plantes, d’animaux et de déchets pour produire des matériaux semi-conducteurs organiques. Ces matières premières sont renouvelables et abondamment disponibles. La chercheuse Jia Wang et ses collègues du Département de physique, en collaboration avec des partenaires internationaux, ont réussi à produire un tel matériau semi-conducteur d’origine biologique.

Feuilles de bouleau dans une cocotte minute

Le processus de synthèse est simple : ils ont cueilli des feuilles de bouleau sur le campus d’Umeå et les ont cuites dans une cocotte minute. Cela a produit des « points de carbone » d’une taille d’environ deux nanomètres qui émettent une lumière rouge foncé à bande étroite lorsqu’ils sont dissous dans l’éthanol. Certaines des propriétés optiques de ces points de carbone en feuilles de bouleau sont comparables aux points quantiques commerciaux actuellement utilisés dans les matériaux semi-conducteurs, mais contrairement à eux, ils ne contiennent aucun métal lourd ni matière première critique.

“Il est important de noter que notre méthode ne se limite pas aux feuilles de bouleau”, explique Jia Wang. “Nous avons testé différentes feuilles de plantes avec la même méthode de cuisson sous pression, et toutes ont produit des points de carbone émettant du rouge similaires. Cette polyvalence suggère que le processus de transformation peut être utilisé dans différents endroits.”

En utilisant les points de carbone d’un dispositif à cellule électrochimique électrochimique, les chercheurs ont pu montrer que la luminosité générée était de 100 cd/m.²ce qui est comparable à l’intensité lumineuse d’un écran d’ordinateur.

“Ce résultat montre qu’il est possible de passer de l’épuisement des composés pétroliers à la régénération de la biomasse comme matière première pour les semi-conducteurs organiques”, explique Jia Wang.

Elle souligne le potentiel plus large des points de carbone au-delà des simples dispositifs électroluminescents.

« Les points de carbone sont prometteurs dans diverses applications, de la bioimagerie et de la détection à la lutte contre la contrefaçon. Nous sommes ouverts aux collaborations et désireux d’explorer des utilisations plus intéressantes pour ces points de carbone émissifs et durables », déclare Jia Wang.