Исследование «Яркое видимое излучение графена» опубликовано в Advance Online Publication (AOP) на веб-сайте Nature Nanotechnology 15 июня.«Мы создали, по сути, самую тонкую лампочку в мире», — говорит Хоун, профессор машиностроения в Columbia Engineering Ван Фон-Джен и соавтор исследования. «Этот новый тип« широкополосного »излучателя света может быть интегрирован в чипы и проложит путь к реализации атомарно тонких, гибких и прозрачных дисплеев, а также встроенной оптической связи на основе графена».
Создание света в небольших структурах на поверхности кристалла имеет решающее значение для разработки полностью интегрированных «фотонных» схем, которые работают со светом так же, как сейчас с электрическими токами в полупроводниковых интегральных схемах. Исследователи разработали множество подходов для этого, но пока не смогли поместить на чип самый старый и простой источник искусственного света — лампочку накаливания.
В первую очередь это связано с тем, что нити лампочки должны быть очень горячими — тысячи градусов по Цельсию, чтобы светиться в видимом диапазоне, а металлические провода микромасштабов не могут выдерживать такие температуры. Кроме того, передача тепла от горячей нити к окружающей среде чрезвычайно эффективна в микромасштабе, что делает такие структуры непрактичными и приводит к повреждению окружающего чипа.Измеряя спектр света, излучаемого графеном, команда смогла показать, что графен достиг температуры выше 2500 градусов по Цельсию, достаточно горячей, чтобы ярко светиться. «Видимый свет от атомарно тонкого графена настолько интенсивен, что его можно увидеть даже невооруженным глазом без какого-либо дополнительного увеличения», — объясняет Янг Дак Ким, первый и со-ведущий автор статьи и научный сотрудник, работающий в группе Хоуна. в Columbia Engineering.
Интересно, что в спектре излучаемого света наблюдались пики на определенных длинах волн, что, как обнаружила группа, было связано с интерференцией между светом, излучаемым непосредственно из графена, и светом, отражающимся от кремниевой подложки и проходящим обратно через графен. Ким отмечает: «Это возможно только потому, что графен прозрачен, в отличие от любой обычной нити накала, и позволяет нам настраивать спектр излучения, изменяя расстояние до подложки».
Способность графена достигать таких высоких температур без плавления подложки или металлических электродов обусловлена еще одним интересным свойством: при нагревании графен становится гораздо худшим проводником тепла. Это означает, что высокие температуры остаются ограниченными небольшой «горячей точкой» в центре.«При самых высоких температурах температура электронов намного выше, чем у акустических колебательных мод решетки графена, так что для достижения температур, необходимых для излучения видимого света, требуется меньше энергии», — сказал Мён-Хо Бэ, старший научный сотрудник KRISS и со-ведущий автор, наблюдает. «Эти уникальные термические свойства позволяют нам нагревать подвешенный графен до половины температуры солнца и повышать эффективность в 1000 раз по сравнению с графеном на твердой подложке».Команда также продемонстрировала масштабируемость своей техники, реализовав крупномасштабные массивы графеновых излучателей света с химическим осаждением из паровой фазы (CVD).
Юн Даниэль Пак, профессор кафедры физики и астрономии Сеульского национального университета и со-ведущий автор, отмечает, что они работают с тем же материалом, который Томас Эдисон использовал, когда изобрел лампу накаливания: «Эдисон изначально использовал углерод в качестве нить накаливания для его лампочки, и здесь мы возвращаемся к тому же элементу, но используем его в чистом виде — графен — и с его предельным размером — толщиной в один атом ».В настоящее время группа работает над дальнейшей характеристикой характеристик этих устройств — например, с какой скоростью они могут включаться и выключаться для создания «битов» для оптической связи — и над разработкой методов их интеграции в гибкие подложки.
Хоун добавляет: «Мы только начинаем мечтать о других применениях этих структур — например, в качестве микроконфорок, которые можно нагреть до тысяч градусов за доли секунды для изучения высокотемпературных химических реакций или катализа».Исследование было проведено исследователями из Columbia Engineering, Сеульского национального университета, Корейского научно-исследовательского института стандартов и науки, Университета Конкук, Университета Соганг, Университета Седжонга, Иллинойского университета в Урбана-Шампейн и Стэнфордского университета.
Эта работа была поддержана Корейским научно-исследовательским институтом стандартов и науки в рамках проекта «Конвергентная наука и технология для измерений в наномасштабе» (15011053), грант Национального исследовательского фонда Кореи (2014-023563, NRF-2008). -0061906, NRF-2013R1A1A1076141, NRF-2012M3C1A1048861, 2011-0017605, BSR-2012R1A2A2A01045496 и NMTD-2012M3A7B4049888, финансируемые правительством Кореи (MSIP), грант Global Softtier от Global Softtier от Fron (2011-0031630) Программа исследований MSIP, Программа Центра приоритетных исследований (2012-0005859), грант (2011-0030786) Центра топологических вопросов при POSTECH, NSF (DMR-1122594), AFOSR (FA95550-09-0705), ONR (N00014-13-1-0662), грант Управления армейских исследований (ARO) W911NF-13-1-0471 и стипендия Qualcomm Innovation Fellowship (QInF) 2013.