(Phys.org)—Momenteel, alle light-emitting diodes (LED's) zenden licht uit van slechts één kleur, dat is vooraf gedefinieerd tijdens de fabricage. Tot dusver, het afstemmen van de kleur van het licht geproduceerd door een enkele LED is nooit gerealiseerd, ondanks talloze pogingen.

Het is dus vrij opmerkelijk dat in een nieuwe studie, wetenschappers hebben een LED gedemonstreerd die niet alleen kan worden afgestemd om verschillende kleuren licht uit te stralen, maar kan dit over bijna het gehele zichtbare spectrum doen:van blauw (golflengte van 450 nm) tot rood (golflengte van 750 nm) - eigenlijk alle kleuren behalve de donkerste blauwtinten en viooltjes.

De sleutel tot het bereiken van de kleurafstembare LED is het maken van grafeen - hetzelfde materiaal dat heeft geleid tot baanbrekend onderzoek op een aantal gebieden, van batterijen tot zonnecellen tot halfgeleiders. Ondanks het succes van grafeen in deze gebieden, op grafeen gebaseerde LED's zijn nog nooit eerder gerealiseerd, waardoor het nieuwe apparaat de allereerste op grafeen gebaseerde LED is, naast de eerste kleur-afstembare LED.

Toepassingen van de nieuwe LED zijn onder meer hoogwaardige, kleur-afstembare LED-displays voor tv's en mobiele apparaten, kleur-afstembare LEIDENE lichte inrichtingen, en het potentieel voor een verscheidenheid aan toekomstige op grafeen gebaseerde fotonische apparaten.

Twee vormen van grafeen mengen

De onderzoekers, onder leiding van professor Tian-Ling Ren aan de Tsinghua Universiteit in Peking, maakte het lichtgevende materiaal van het grensvlak van twee verschillende vormen van grafeen. Deze vormen zijn grafeenoxide (GO), dat is gemaakt van goedkoop grafiet, en gereduceerd grafeenoxide (rGO), wat een meer ongerepte vorm van GO is.

Op het grensvlak van de GO en rGO ligt een speciaal type gedeeltelijk gereduceerde GO met optische, fysiek, en chemische eigenschappen die ergens tussen die van GO en rGO in liggen. De belangrijkste "gemengde" eigenschap van de grenslaag is dat deze een reeks discrete energieniveaus heeft, die uiteindelijk de emissie van licht bij veel verschillende energieën mogelijk maakt, of kleuren.

Het voorkomen van deze eigenschap is vooral interessant omdat, zelfstandig, noch GO noch rGO (of enige andere bekende vorm van grafeen, wat dat betreft) kan helemaal geen licht uitstralen. Dit komt omdat geen van beide materialen de juiste maat "bandgap, " wat de kloof is tussen twee energiebanden waar elektronen overheen moeten springen om elektriciteit te geleiden of licht uit te zenden. Terwijl GO een extreem grote bandgap heeft, rGO heeft een bandgap van nul.

In plaats van ergens tussen GO en rGO een bandgap te hebben, het gedeeltelijk verminderde grensvlak GO heeft eigenlijk veel verschillende tussenliggende bandgaps als gevolg van hoe de vermenging plaatsvindt - niet als een vloeiende overgang, maar in de vorm van rGO-nanoclusters ingebed in de GO-laag. Omdat deze rGO-nanoclusters aan het grensvlak in verschillende mate worden gereduceerd, ze vertonen variaties in hun energieniveaus en, bijgevolg, in de kleur van het uitgestraalde licht. Deze energieniveaus kunnen eenvoudig worden gemoduleerd door de aangelegde spanning te veranderen of door chemische doping, die selectief een enkele kleur van luminescentie stimuleert en afstemming van de kleur van de LED mogelijk maakt.

"We ontdekten dat een combinatie van GO en rGO een geleidend en breed bandgap-materiaal kan creëren, " vertelde Ren Phys.org . "Het is algemeen bekend dat grafeen geen bandgap heeft. Daarom waren we allemaal verrast dat onze GO/rGO-interface (een op grafeen gebaseerd systeem) daadwerkelijk lichtgevend kan zijn."

Commerciële verwachtingen

Het feit dat dit de eerste waarneming is van luminescentie in een op grafeen gebaseerd systeem maakt de weg vrij voor het gebruik van grafeen als lichtbron in toekomstige op grafeen gebaseerde fotonische apparaten. Een kleur-afstembare LED is ook zeer gewenst voor hoogwaardige LED-displays en verlichtingsarmaturen. Omdat de kleur verandert als reactie op bepaalde chemicaliën, de apparaten kunnen ook detectietoepassingen hebben.

"Op grafeen gebaseerd, kleurafstembare LED's kunnen de realisatie van flexibele weergavetechnologieën mogelijk maken die het hele zichtbare spectrum kunnen bestrijken, " zei Ren. "Conventionele LED's zenden slechts een vaste golflengte van licht uit en daarom vereisen weergavetechnologieën een mengsel van rood, groente, en blauwe LED's. Als een op grafeen gebaseerd, kleur-afstembare LED wordt gebruikt, op eenvoudige wijze is een full colour en flexibel display te realiseren. Een breed scala aan consumenten- en medische elektronica kan profiteren van een dergelijke technologie."

In hun werk, de onderzoekers ontworpen, gefabriceerd, en testte 20 op grafeen gebaseerde LED's. Algemeen, de apparaten vertoonden een goede helderheid maar een laag rendement, die ze willen verbeteren. Een ander nadeel van het huidige prototype is een zeer korte emissie-levensduur van minder dan een minuut of zo in omgevingsomstandigheden en ongeveer 2 uur in vacuüm. De onderzoekers schrijven de korte levensduur toe aan oxidatie in de lucht en voorspellen dat beschermende coatings dit gebied kunnen verbeteren.

Ondanks de ruimte voor verbetering, de onderzoekers verwachten dat de op grafeen gebaseerde LED's bemoedigende commerciële vooruitzichten hebben vanwege verschillende voordelen, inclusief hun nauwkeurige kleurafstemming, compacte structuur, en eenvoudige fabricage.

"De efficiëntie van de grafeen-LED kan verder worden verbeterd, Ren zei. "Een manier om dit te bereiken zou zijn door n-type [halfgeleider] materialen te gebruiken in combinatie met grafeen. De korte levensduur kan ook worden verbeterd door vacuümafdichting. Commercialisering kan binnen enkele jaren worden verwacht, aangezien onze methode eenvoudig en goedkoop is. Zoals bij elke andere technologische ontwikkeling die uit een laboratorium komt, uitdagingen bestaan; echter, wij geloven dat deze uitdagingen in de nabije toekomst kunnen worden overwonnen. Wij geloven dat op grafeen gebaseerde, kleur-afstembare LED's zijn een veelbelovende technologie voor flexibele displays."

© 2015 Fys.org