Επιστήμονες κατάφεραν να «ανάψουν» το λεπτότερο λαμπτήρα από γραφένιο στον κόσμο! (video)

Για πρώτη φορά πέτυχαν λειτουργία μιας on-chip πηγής ορατού φωτός με χρήση γραφένιου, μιας λεπτής-όσο ένα άτομο-τέλειας κρυσταλλικής μορφής άνθρακα, ως νήμα πυρακτώσεως. Αυτό ανέφερε ο Young Duck Kim, επικεφαλής της έρευνας, μεταδιδακτορικός επιστήμονας στην ομάδα του καθηγητή James Hone, στο Columbia Engineering, μια ομάδα από επιστήμονες από το Columbia, το Seoul National University (SNU), και το Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS).

Οι ερευνητές προσάρμοσαν μικρές λωρίδες γραφένιου σε μεταλλικά ηλεκτρόδια, κρέμασαν τις λωρίδες επάνω από το υπόστρωμα και πέρασαν ρεύμα μέσω των νημάτων για να για να προκαλέσουν τη θέρμανσή τους. «Αυτό που δημιουργήσαμε είναι ουσιαστικά η λεπτότερη λάμπα του κόσμου», λέει ο Hone, καθηγητής Μηχανολογίας στο Columbia Engineering και επίσης συγγραφέας της μελέτης. «Αυτός ο νέος τύπος της «ευρυζωνικής» πηγής φωτός μπορεί να ενσωματωθεί σε ολοκληρωμένα και να ανοίξει το δρόμο για την υλοποίηση των σε επίπεδο ατόμου λεπτών, εύκαμπτων και διαφανών οθονών και των on-chip οπτικών επικοινωνιών βασισμένων στο γραφένιο».

Οι Young Duck Kim και James Hone στο εργαστήριό τους

Η δημιουργία φωτός σε μικρές δομές στην επιφάνεια ενός τσιπ είναι κρίσιμης σημασίας για την πλήρη ανάπτυξη ολοκληρωμένων «φωτονικών» κυκλωμάτων, που φτιάχνονται με το φως που τώρα παράγεται με ηλεκτρικά ρεύματα σε ολοκληρωμένα κυκλώματα ημιαγωγών. Οι ερευνητές ανέπτυξαν πολλές προσεγγίσεις για να το κάνουν αυτό, αλλά δεν έχουν καταφέρει ακόμη να τοποθετήσουν την παλαιότερη και πιο απλή τεχνητή πηγή φωτός, το λαμπτήρα πυρακτώσεως, πάνω σε ένα τσιπ. Αυτό συμβαίνει κυρίως επειδή τα νήματα του λαμπτήρα πρέπει να είναι εξαιρετικά θερμά-χιλιάδων βαθμών Κελσίου-για να ακτινοβολούν στο ορατό φάσμα και τα μεταλλικά σύρματα, στην περιοχή της μικροκλίμακας, δεν μπορούν να αντέξουν τέτοιες θερμοκρασίες. Επιπλέον, η μεταφορά θερμότητας από το θερμό νήμα στο περιβάλλον του είναι εξαιρετικά αποδοτική στην μικροκλίμακα, καθιστώντας τέτοιες δομές άχρηστες και οδηγώντας σε βλάβη του τσιπ που τις περιέχει.

Μετρώντας το φάσμα του φωτός που εκπέμπεται από το γραφένιο, η ομάδα ήταν σε θέση να δείξει ότι το γραφένιο έφτανε σε θερμοκρασίες άνω των 2.500 βαθμών Κελσίου, αρκετά θερμό ώστε να ακτινοβολεί έντονα. «Το ορατό φως από ατομικά λεπτό γραφένιο είναι τόσο έντονο ώστε να είναι ορατό ακόμα και με γυμνό μάτι, χωρίς καμία πρόσθετη μεγέθυνση», εξηγεί ο Kim.

Είναι ενδιαφέρον, ότι το φάσμα του εκπεμπόμενου φωτός έδειξε κορυφές σε συγκεκριμένα μήκη κύματος, τα οποία η ομάδα ανακάλυψε λόγω της συμβολής μεταξύ του φωτός που εκπέμπεται απευθείας από το γραφένιο και του φωτός που ανακλάται από το υπόστρωμα πυριτίου και περνάει πίσω μέσα από το γραφένιο. Ο Kim σημειώνει: «Αυτό είναι δυνατό μόνο επειδή γραφένιο είναι, σε αντίθεση με οποιοδήποτε συμβατικό νήμα, διαφανές και μας επιτρέπει να συντονίζουμε το φάσμα εκπομπής αλλάζοντας την απόσταση από το υπόστρωμα».

Η ικανότητα του γραφενίου να πετυχαίνει τόσο υψηλές θερμοκρασίες χωρίς να λιώνουν το υπόστρωμα ή τα μεταλλικά ηλεκτρόδια οφείλεται σε μια άλλη ενδιαφέρουσα ιδιότητα: Καθώς ζεσταίνεται, το γραφένιο γίνεται πολύ λιγότερο καλός αγωγός της θερμότητας. Αυτό σημαίνει ότι οι υψηλές θερμοκρασίες παραμένουν περιορισμένες σε ένα μικρό «καυτό σημείο» στο κέντρο.

«Στις υψηλότερες θερμοκρασίες, η θερμοκρασία των ηλεκτρονίων είναι πολύ υψηλότερη από αυτή των ακουστικών τρόπων ταλάντωσης του πλέγματος του γραφενίου, έτσι ώστε να απαιτείται λιγότερη ενέργεια για να επιτευχθούν θερμοκρασίες που απαιτούνται για την εκπομπή ορατού φωτός», παρατηρεί ερευνητής στο KRISS και επίσης συγγραφέας της μελέτης. «Αυτές οι μοναδικές θερμικές ιδιότητες μας επιτρέπουν να θερμάνουμε το κρεμασμένο γραφένιο πάνω από το μισό της θερμοκρασίας του Ήλιου και ν βελτιώνουμε τη απόδοση 1000 φορές, σε σύγκριση με το γραφενίου σε ένα στερεό υπόστρωμα».

Η ομάδα κατέδειξε επίσης την επεκτασιμότητα της τεχνικής τους, πραγματοποιώντας μεγάλης κλίμακας σειρές εκπομπών φωτός γραφενίου με χημική διεργασία CVD (Chemical vapor deposition). Ο Yun Daniel Park, καθηγητής στο Τμήμα Φυσικής και Αστρονομίας στο Εθνικό Πανεπιστήμιο της Σεούλ και επίσης συγγραφέας της μελέτης, επισημαίνει ότι εργάζονται με το ίδιο υλικό που χρησιμοποίησε ο Thomas Edison όταν εφηύρε το λαμπτήρα πυρακτώσεως: «Ο Edison χρησιμοποίησε αρχικά του άνθρακα ως νήμα για το λαμπτήρα του και εδώ πάμε πίσω στο ίδιο στοιχείο, αλλά χρησιμοποιώντας το σε καθαρή μορφή-το γραφένιο-και σε μέγεθος στο τελικό του όριο, πάχους ενός ατόμου».

Η ομάδα εργάζεται αυτή τη στιγμή για την περαιτέρω διερεύνηση των χαρακτηριστικών της απόδοσης αυτών των συσκευών, για παράδειγμα, πόσο γρήγορα μπορούν να ενεργοποιηθούν και να απενεργοποιηθούν για να δημιουργήσει «bits» για οπτικές επικοινωνίες και για να αναπτύξουν τεχνικές για την ενσωμάτωσή τους σε εύκαμπτα υποστρώματα. Ο Hone προσθέτει: «Είμαστε μόλις τώρα που αρχίζουμε να ονειρευόμαστε άλλες χρήσεις για αυτές τις δομές-για παράδειγμα, ως μικρο-εστίες που μπορούν να θερμανθούν σε χιλιάδες βαθμούς σε ένα κλάσμα του δευτερολέπτου για να μελετηθούν οι υψηλής θερμοκρασίας χημικές αντιδράσεις ή η κατάλυση».

Σημείωση: on-chip: Ολοκληρωμένο κύκλωμα που συγκεντρώνει όλα τα συστατικά ενός συστήματος σε ένα μόνο τσιπ.

Πηγή: Columbia University

Περισσότερα στο άρθρο: Bright visible light emission from graphene, Nature Nanotechnology (2015), Published online 15 June 2015