Grafen bliver lyst:Verdens tyndeste pære udviklet

Anført af Young Duck Kim, en postdoc forsker i James Hones gruppe ved Columbia Engineering, et team af forskere fra Columbia, Seoul National University (SNU), og Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS) rapporterede i dag, at de for første gang har demonstreret en on-chip synlig lyskilde ved hjælp af grafen, en atomisk tynd og perfekt krystallinsk form for kulstof, som et filament. De fastgjorde små strimler af grafen til metalelektroder, suspenderede strimlerne over underlaget, og førte en strøm gennem filamenterne for at få dem til at varme op. Studiet, "Kart synlig lysemission fra grafen, " er offentliggjort i Advance Online Publication den Natur nanoteknologi 's hjemmeside den 15. juni.

"Vi har skabt, hvad der i bund og grund er verdens tyndeste pære, " siger Hone, Wang Fon-Jen professor i maskinteknik ved Columbia Engineering og medforfatter til undersøgelsen. "Denne nye type 'bredbånds' lysemitter kan integreres i chips og vil bane vejen mod realisering af atomisk tynde, fleksibel, og gennemsigtige skærme, og grafen-baseret on-chip optisk kommunikation."

At skabe lys i små strukturer på overfladen af ​​en chip er afgørende for at udvikle fuldt integrerede 'fotoniske' kredsløb, der gør med lys, hvad der nu sker med elektriske strømme i integrerede halvlederkredsløb. Forskere har udviklet mange metoder til at gøre dette, men har endnu ikke været i stand til at sætte den ældste og enkleste kunstige lyskilde - glødepæren - på en chip. Det skyldes primært, at glødetråde af pære skal være ekstremt varme - tusinder af grader Celsius - for at lyse i det synlige område, og metaltråde i mikroskala kan ikke modstå sådanne temperaturer. Ud over, varmeoverførsel fra det varme glødetråd til dets omgivelser er ekstremt effektivt i mikroskala, gør sådanne strukturer upraktiske og fører til beskadigelse af den omgivende chip.

Ved at måle spektret af lyset, der udsendes fra grafen, holdet var i stand til at vise, at grafen nåede temperaturer på over 2500 grader Celsius, varmt nok til at lyse klart. "Det synlige lys fra atomisk tynd grafen er så intenst, at det er synligt selv for det blotte øje, uden yderligere forstørrelse, " forklarer Young Duck Kim, første og co-lead forfatter på papiret og postdoc-forsker, der arbejder i Hones gruppe ved Columbia Engineering.

Interessant nok, spektret af det udsendte lys viste toppe ved bestemte bølgelængder, som holdet opdagede skyldtes interferens mellem lyset, der udsendes direkte fra grafenet, og lys, der reflekterede fra siliciumsubstratet og passerede tilbage gennem grafenet. Kim bemærker, "Dette er kun muligt, fordi grafen er gennemsigtigt, i modsætning til enhver konventionel filament, og giver os mulighed for at justere emissionsspektret ved at ændre afstanden til substratet."

Grafens evne til at opnå så høje temperaturer uden at smelte substratet eller metalelektroderne skyldes en anden interessant egenskab:når den opvarmes, grafen bliver en meget dårligere varmeleder. Det betyder, at de høje temperaturer holder sig begrænset til et lille 'hot spot' i midten.

"Ved de højeste temperaturer, elektrontemperaturen er meget højere end den for akustiske vibrationstilstande i grafengitteret, så der kræves mindre energi for at opnå de temperaturer, der er nødvendige for synlig lysemission, "Myung-Ho Bae, seniorforsker ved KRISS og medforfatter, observerer. "Disse unikke termiske egenskaber giver os mulighed for at opvarme den suspenderede grafen op til halvdelen af ​​solens temperatur, og forbedre effektiviteten 1000 gange, sammenlignet med grafen på et fast underlag."

Holdet demonstrerede også skalerbarheden af ​​deres teknik ved at realisere storskala arrays af kemisk-dampaflejrede (CVD) grafen-lysemittere.

Yun Daniel Park, professor i afdelingen for fysik og astronomi ved Seoul National University og medforfatter, bemærker, at de arbejder med det samme materiale, som Thomas Edison brugte, da han opfandt glødepæren:"Edison brugte oprindeligt kulstof som glødetråd til sin pære, og her skal vi tilbage til det samme element, men ved at bruge det i sin rene form - grafen - og ved dets ultimative størrelsesgrænse - et atom tykt."

Gruppen arbejder i øjeblikket på yderligere at karakterisere ydeevnen af ​​disse enheder – f.eks. hvor hurtigt de kan tændes og slukkes for at skabe 'bits' til optisk kommunikation – og for at udvikle teknikker til at integrere dem i fleksible substrater.

Hone tilføjer, "Vi er lige begyndt at drømme om andre anvendelser af disse strukturer - f.eks. som mikrokogeplader, der kan opvarmes til tusindvis af grader på en brøkdel af et sekund for at studere kemiske reaktioner eller katalyse ved høje temperaturer."