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“稻殼”這幾年在硅基材料生產界也算是個常客了，就連豪車凱迪拉克的輪胎也有產自稻殼的原料。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生約4000萬噸稻殼。如果不能將這些稻殼回收利用，確實是可惜。

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，一個很有意思的新聞出現在人們眼中，來自日本廣島大學科學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，合成了可發出橙色光的納米硅（硅量子點；SiQD），并且成功地更進一步開發出硅量子點LED。為啥在此之前沒人這么做呢，是因為難嗎？

研發背景

通過查閱資料我們可以得知，硅雖然是一種很重要的半導體材料，是當今半導體產業的基礎。但硅有一個明顯的不足，即難以高效率地發光，這主要是因為硅是間接帶隙半導體，電子與空穴的復合需要聲子的參與，導致其輻射復合幾率極低。不過在20世紀90年代時，人們發現多孔硅可以高效地發光。后來的研究表明，硅量子點(SiQDs)通常存在于多孔硅中，多孔硅的發光主要源于硅量子點的發光。

那硅量子點是什么呢？對于包括硅在內的半導體材料而言，當其尺寸小于其波爾半徑之后，會表現出與體材料不同的性質。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。對于量子點而言，它會呈現出量子限域效應、表面效應和多激子效應等納米材料特有的效應，因此各種存在形態的硅量子點都具有比體硅材料優異得多的發光性能。由于量子限域效應，硅量子點的禁帶寬度一般會隨硅量子點尺寸的減小而增加，從而導致硅量子點的光吸收和發光能量隨著尺寸減小而藍移。

硅量子點在紫外光激發下的發光照片

正由于硅量子點表現出來的明顯不同于體硅材料的電子和光學性質，促使了人們思考硅量子點在光電器件領域的應用，首先努力的方向就是利用硅量子點優異的發光性能制備發光器件如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的靈感，來源于他們發現稻殼中所含二氧化硅還原取得的多孔硅，應用作為鋰離子電池負極材料時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構）。于是他們便展開了利用稻殼制備SiQD與SiQD LED的研究開發。

研究團隊將稻殼透過酸處理去除無機物質中的雜質，經過酸處理的稻殼經過燃燒后獲得二氧化硅，隨后將二氧化硅與鎂粉末混合、加熱使其進行氧化還原反應，進而獲得多孔質的硅粉末。此外，從稻殼中獲得二氧化硅與多孔硅的產收率分別為100%與86%。

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

從報道中可得知，最終產物的SiQD可發出橙色光，發光效率則為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，發光面的面積則為4 mm²，可如同OLED般發出表面光，與一般市售LED（子彈型）的點發光相比，發光面積約為40倍。

(a)作為原始材料的氫基硅烷 (b)上述a的粉末 (c)燒結上述b的生成物

(d)紅色發光的硅量子點，分散在溶液中 (e)上述d的電子顯微鏡圖像

總結

就這么看上去，用稻殼制備LED好像也不是一件特別難的事，所以這項研究結果的珍貴之處，或許就在于思路的突破。為什么這種硅材料可以讓鋰電池性能獲得大幅提升，是不是可以用類似的方法改變本不適用于做發光材料的硅？科學家們為我們上了一堂跨界思維的課。

總之，無論這項世界上第一個以植物為原料，活用生物質類天然材料的LED制造方法能不能實際應用上，這樣的思考方法永遠都是值得我們學習的。

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