(Phys.org)—Attualmente, tutti i diodi emettitori di luce (LED) emettono luce di un solo colore, che è predefinito durante la fabbricazione. Finora, la regolazione del colore della luce prodotta da un singolo LED non è mai stata realizzata, nonostante i numerosi tentativi.

Quindi è abbastanza notevole che in un nuovo studio, gli scienziati hanno dimostrato un LED che non solo può essere sintonizzato per emettere diversi colori di luce, ma può farlo su quasi l'intero spettro visibile:dal blu (lunghezza d'onda di 450 nm) al rosso (lunghezza d'onda di 750 nm), praticamente tutti i colori tranne i blu e i viola più scuri.

La chiave per ottenere il LED a colori sintonizzabili è ricavarlo dal grafene, lo stesso materiale che ha portato a ricerche innovative in una serie di aree, dalle batterie alle celle solari ai semiconduttori. Nonostante il successo del grafene in queste aree, LED a base di grafene non sono mai stati realizzati prima d'ora, rendendo il nuovo dispositivo il primo LED in assoluto a base di grafene, oltre ad essere il primo LED a colori sintonizzabili.

Le applicazioni del nuovo LED includono alta qualità, display LED a colori regolabili per TV e dispositivi mobili, apparecchi di illuminazione a LED regolabili nel colore, e il potenziale per una varietà di futuri dispositivi fotonici basati sul grafene.

Mescolare due forme di grafene

I ricercatori, guidato dal professor Tian-Ling Ren presso l'Università Tsinghua di Pechino, realizzato il materiale che emette luce dall'interfaccia di due diverse forme di grafene. Queste forme sono l'ossido di grafene (GO), che è prodotto da grafite economica, e ossido di grafene ridotto (rGO), che è una forma più originale di GO.

Situato all'interfaccia del GO e dell'rGO è un tipo speciale di GO parzialmente ridotto che ha ottica, fisico, e proprietà chimiche che si trovano da qualche parte tra quelle di GO e rGO. La più importante proprietà "blended" dello strato interfacciale è che ha una serie di livelli energetici discreti, che alla fine consente l'emissione di luce a molte energie diverse, o colori.

La presenza di questa proprietà è particolarmente interessante perché, da soli, né GO né rGO (o qualsiasi altra forma nota di grafene, se è per questo) può emettere qualsiasi luce. Questo perché nessun materiale ha la giusta dimensione "bandgap, " che è il divario tra due bande di energia che gli elettroni devono attraversare per condurre elettricità o emettere luce. Mentre GO ha un gap di banda estremamente ampio, rGO ha un bandgap pari a zero.

Invece di avere un bandgap da qualche parte tra GO e rGO, il GO interfacciale parzialmente ridotto ha in realtà molti diversi gap di banda intermedi a causa del modo in cui si verifica la fusione, non come una transizione graduale, ma sotto forma di nanocluster rGO incorporati nello strato GO. Poiché questi nanocluster rGO sono ridotti a vari gradi all'interfaccia, mostrano variazioni nei loro livelli di energia e, di conseguenza, nel colore della luce emessa. Questi livelli di energia possono essere facilmente modulati modificando la tensione applicata o mediante drogaggio chimico, che stimola selettivamente un singolo colore di luminescenza e consente la regolazione del colore del LED.

"Abbiamo scoperto che una combinazione di GO e rGO può creare un materiale conduttivo e ad ampio bandgap, "Ren ha detto Phys.org . "È comunemente noto che il grafene non ha un bandgap. Pertanto siamo rimasti tutti sorpresi dal fatto che la nostra interfaccia GO/rGO (un sistema basato sul grafene) possa effettivamente essere luminescente".

Aspettative commerciali

Il fatto che questa sia la prima osservazione della luminescenza in un sistema a base di grafene apre la strada all'utilizzo del grafene come fonte di luce nei futuri dispositivi fotonici a base di grafene. Un LED con regolazione del colore è stato anche fortemente desiderato per display a LED e apparecchi di illuminazione di alta qualità. Poiché il colore cambia in risposta a determinate sostanze chimiche, i dispositivi potrebbero anche avere applicazioni di rilevamento.

"A base di grafene, i LED a colori regolabili possono consentire la realizzazione di tecnologie di visualizzazione flessibili in grado di coprire l'intero spettro visibile, " Ren ha detto. "I LED convenzionali emettono solo una lunghezza d'onda fissa della luce e quindi le tecnologie di visualizzazione richiedono una miscela di rosso, verde, e LED blu. Se a base di grafene, viene utilizzato un LED regolabile in base al colore, un display a colori e flessibile può essere realizzato in modo semplice. Un'ampia gamma di elettronica di consumo e medicale può trarre vantaggio da tale tecnologia".

Nel loro lavoro, i ricercatori hanno progettato, fabbricato, e testato 20 LED a base di grafene. Globale, i dispositivi hanno dimostrato una buona luminosità ma bassa efficienza, che intendono migliorare. Un altro inconveniente dell'attuale prototipo è una durata di emissione molto breve, meno di un minuto circa in condizioni ambientali e circa 2 ore nel vuoto. I ricercatori attribuiscono la breve durata all'ossidazione nell'aria e prevedono che i rivestimenti protettivi potrebbero migliorare quest'area.

Nonostante i margini di miglioramento, i ricercatori si aspettano che i LED a base di grafene abbiano prospettive commerciali incoraggianti grazie a numerosi vantaggi, compresa la loro precisa regolazione del colore, struttura compatta, e fabbricazione diretta.

"L'efficienza del LED al grafene potrebbe essere ulteriormente migliorata, " Ren ha detto. "Un modo per raggiungere questo obiettivo sarebbe utilizzare materiali [semiconduttori] di tipo n combinati con grafene. La breve durata potrebbe anche essere migliorata con la sigillatura sottovuoto. La commercializzazione può essere prevista in pochi anni poiché il nostro metodo è semplice ea basso costo. Come con qualsiasi altro sviluppo tecnologico che esce da un laboratorio, le sfide esistono; però, crediamo che queste sfide possano essere superate nel prossimo futuro. Riteniamo che a base di grafene, I LED a colori regolabili sono una tecnologia promettente per i display flessibili."

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