Onder leiding van Young Duck Kim, een postdoctoraal onderzoeker in de groep van James Hone bij Columbia Engineering, een team van wetenschappers uit Columbia, Nationale Universiteit van Seoel (SNU), en Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS) meldden vandaag dat ze voor het eerst een zichtbare lichtbron op de chip hebben gedemonstreerd met behulp van grafeen, een atomair dunne en perfect kristallijne vorm van koolstof, als filament. Ze bevestigden kleine reepjes grafeen op metalen elektroden, de stroken opgehangen boven de ondergrond, en een stroom door de filamenten geleid om ze op te warmen. De studie, "Heldere zichtbare lichtemissie van grafeen, " is gepubliceerd in de Advance Online Publication op Natuur Nanotechnologie website op 15 juni.

"We hebben gemaakt wat in wezen de dunste gloeilamp ter wereld is, " zegt Hon, Wang Fon-Jen hoogleraar Werktuigbouwkunde aan Columbia Engineering en co-auteur van de studie. "Dit nieuwe type 'breedband' lichtzender kan in chips worden geïntegreerd en zal de weg vrijmaken voor de realisatie van atomair dunne, flexibel, en transparante displays, en op grafeen gebaseerde optische communicatie op de chip."

Het creëren van licht in kleine structuren op het oppervlak van een chip is cruciaal voor het ontwikkelen van volledig geïntegreerde 'fotonische' circuits die met licht doen wat nu gebeurt met elektrische stromen in halfgeleider-geïntegreerde circuits. Onderzoekers hebben hiervoor vele benaderingen ontwikkeld, maar hebben de oudste en eenvoudigste kunstmatige lichtbron - de gloeilamp - nog niet op een chip kunnen zetten. Dit komt voornamelijk omdat de gloeidraden van gloeilampen extreem heet moeten zijn - duizenden graden Celsius - om in het zichtbare bereik te gloeien en microschaal metaaldraden niet bestand zijn tegen dergelijke temperaturen. In aanvulling, warmteoverdracht van de hete gloeidraad naar zijn omgeving is uiterst efficiënt op microschaal, waardoor dergelijke structuren onpraktisch worden en leiden tot beschadiging van de omringende chip.

Door het spectrum te meten van het licht dat door het grafeen wordt uitgestraald, het team kon aantonen dat het grafeen temperaturen van boven de 2500 graden Celsius bereikte, heet genoeg om helder te gloeien. "Het zichtbare licht van atomair dun grafeen is zo intens dat het zelfs met het blote oog zichtbaar is, zonder extra vergroting, " legt Jonge Eend Kim uit, eerste en co-hoofdauteur van de paper en postdoctoraal onderzoeker die werkt in Hone's groep bij Columbia Engineering.

interessant, het spectrum van het uitgezonden licht vertoonde pieken bij specifieke golflengten, waarvan het team ontdekte dat het te wijten was aan interferentie tussen het licht dat rechtstreeks door het grafeen wordt uitgestraald en licht dat weerkaatst op het siliciumsubstraat en teruggaat door het grafeen. Kim merkt op, "Dit kan alleen omdat grafeen transparant is, in tegenstelling tot elk conventioneel filament, en stelt ons in staat om het emissiespectrum af te stemmen door de afstand tot het substraat te veranderen."

Het vermogen van grafeen om zulke hoge temperaturen te bereiken zonder het substraat of de metalen elektroden te smelten, is te danken aan een andere interessante eigenschap:als het opwarmt, grafeen wordt een veel slechtere warmtegeleider. Hierdoor blijven de hoge temperaturen beperkt tot een kleine 'hot spot' in het centrum.

"Bij de hoogste temperaturen de elektronentemperatuur is veel hoger dan die van akoestische trillingsmodi van het grafeenrooster, zodat er minder energie nodig is om de temperatuur te bereiken die nodig is voor de emissie van zichtbaar licht, "Myung-Ho Bae, een senior onderzoeker bij KRISS en co-lead auteur, observeert. "Deze unieke thermische eigenschappen stellen ons in staat om het zwevende grafeen te verwarmen tot de helft van de temperatuur van de zon, en verbeter de efficiëntie 1000 keer, in vergelijking met grafeen op een vast substraat."

Het team demonstreerde ook de schaalbaarheid van hun techniek door grootschalige arrays van door chemische damp gedeponeerde (CVD) grafeen-lichtstralers te realiseren.

Yun Daniëlpark, professor in de afdeling natuurkunde en astronomie aan de Seoul National University en co-hoofdauteur, merkt op dat ze met hetzelfde materiaal werken dat Thomas Edison gebruikte toen hij de gloeilamp uitvond:"Edison gebruikte oorspronkelijk koolstof als gloeidraad voor zijn gloeilamp en hier gaan we terug naar hetzelfde element, maar gebruik het in zijn pure vorm - grafeen - en op zijn uiteindelijke maximale grootte - één atoom dik."

De groep werkt momenteel aan het verder karakteriseren van de prestaties van deze apparaten, bijvoorbeeld hoe snel ze kunnen worden in- en uitgeschakeld om 'bits' voor optische communicatie te creëren - en om technieken te ontwikkelen om ze te integreren in flexibele substraten.

Hone voegt eraan toe, "We beginnen net te dromen over andere toepassingen voor deze structuren, bijvoorbeeld als micro-kookplaten die in een fractie van een seconde tot duizenden graden kunnen worden verwarmd om chemische reacties of katalyse bij hoge temperaturen te bestuderen."