Guidato da Young Duck Kim, un ricercatore post-dottorato nel gruppo di James Hone alla Columbia Engineering, un team di scienziati della Columbia, Università Nazionale di Seul (SNU), e il Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS) hanno riferito oggi di aver dimostrato, per la prima volta, una sorgente di luce visibile su chip che utilizza grafene, una forma di carbonio atomicamente sottile e perfettamente cristallina, come un filamento. Hanno attaccato piccole strisce di grafene ad elettrodi metallici, sospeso le strisce sopra il substrato, e faceva passare una corrente attraverso i filamenti per farli riscaldare. Lo studio, "Emissione di luce visibile brillante dal grafene, " è pubblicato nell'Advance Online Publication su Nanotecnologia della natura sito web il 15 giugno.

"Abbiamo creato quella che è essenzialmente la lampadina più sottile al mondo, "dice Hone, Wang Fon-Jen Professore di ingegneria meccanica presso la Columbia Engineering e coautore dello studio. "Questo nuovo tipo di emettitore di luce a 'banda larga' può essere integrato nei chip e aprirà la strada alla realizzazione di atomicamente sottili, flessibile, e display trasparenti, e comunicazioni ottiche su chip basate sul grafene."

La creazione di luce in piccole strutture sulla superficie di un chip è fondamentale per lo sviluppo di circuiti "fotonici" completamente integrati che fanno con la luce ciò che ora viene fatto con le correnti elettriche nei circuiti integrati a semiconduttore. I ricercatori hanno sviluppato molti approcci per farlo, ma non sono ancora stato in grado di inserire la più antica e semplice fonte di luce artificiale, la lampadina a incandescenza, su un chip. Ciò è dovuto principalmente al fatto che i filamenti delle lampadine devono essere estremamente caldi (migliaia di gradi Celsius) per brillare nel campo del visibile e i fili metallici in microscala non possono resistere a tali temperature. Inoltre, il trasferimento di calore dal filamento caldo all'ambiente circostante è estremamente efficiente su microscala, rendendo tali strutture impraticabili e portando al danneggiamento del chip circostante.

Misurando lo spettro della luce emessa dal grafene, il team è stato in grado di dimostrare che il grafene stava raggiungendo temperature superiori a 2500 gradi Celsius, abbastanza caldo da brillare intensamente. "La luce visibile del grafene atomicamente sottile è così intensa che è visibile anche a occhio nudo, senza ulteriori ingrandimenti, " spiega Young Duck Kim, primo e co-autore dell'articolo e ricercatore postdottorato che lavora nel gruppo di Hone alla Columbia Engineering.

interessante, lo spettro della luce emessa ha mostrato picchi a specifiche lunghezze d'onda, che il team ha scoperto essere dovuto all'interferenza tra la luce emessa direttamente dal grafene e la luce che si riflette sul substrato di silicio e che passa attraverso il grafene. Kim nota, "Questo è possibile solo perché il grafene è trasparente, a differenza di qualsiasi filamento convenzionale, e ci consente di sintonizzare lo spettro di emissione modificando la distanza dal substrato".

La capacità del grafene di raggiungere temperature così elevate senza fondere il substrato o gli elettrodi metallici è dovuta ad un'altra proprietà interessante:mentre si riscalda, il grafene diventa un conduttore di calore molto più povero. Ciò significa che le alte temperature rimangono confinate in un piccolo "punto caldo" al centro.

"Alle temperature più alte, la temperatura dell'elettrone è molto più alta di quella dei modi vibrazionali acustici del reticolo di grafene, in modo che sia necessaria meno energia per raggiungere le temperature necessarie per l'emissione di luce visibile, "Myung-Ho Bae, ricercatore senior presso KRISS e co-autore, osserva. "Queste proprietà termiche uniche ci consentono di riscaldare il grafene sospeso fino alla metà della temperatura del sole, e migliorare l'efficienza 1000 volte, rispetto al grafene su un substrato solido."

Il team ha anche dimostrato la scalabilità della loro tecnica realizzando su larga scala serie di emettitori di luce al grafene depositati da vapore chimico (CVD).

Yun Daniel Park, professore nel dipartimento di fisica e astronomia della Seoul National University e co-autore, osserva che stanno lavorando con lo stesso materiale che Thomas Edison ha usato quando ha inventato la lampadina a incandescenza:"Edison originariamente usava il carbonio come filamento per la sua lampadina e qui torniamo allo stesso elemento, ma usandolo nella sua forma pura, il grafene, e al suo limite di dimensione finale, uno spessore di un atomo."

Il gruppo sta attualmente lavorando per caratterizzare ulteriormente le prestazioni di questi dispositivi, ad esempio, quanto velocemente possono essere attivati ​​e disattivati ​​per creare "bit" per comunicazioni ottiche e sviluppare tecniche per integrarli in substrati flessibili.

Hone aggiunge, "Stiamo appena iniziando a sognare altri usi per queste strutture, ad esempio, come micropiastre riscaldabili a migliaia di gradi in una frazione di secondo per studiare reazioni chimiche o catalisi ad alta temperatura."