Dirigido por Young Duck Kim, un científico investigador postdoctoral en el grupo de James Hone en Columbia Engineering, un equipo de científicos de Columbia, Universidad Nacional de Seúl (SNU), y el Instituto de Investigación de Estándares y Ciencia de Corea (KRISS) informaron hoy que han demostrado, por primera vez, una fuente de luz visible en chip que utiliza grafeno, una forma de carbono atómicamente delgada y perfectamente cristalina, como filamento. Colocaron pequeñas tiras de grafeno en electrodos metálicos, suspendido las tiras sobre el sustrato, y pasó una corriente a través de los filamentos para hacerlos calentar. El estudio, "Emisión de luz visible brillante del grafeno, "se publica en la Publicación avanzada en línea en Nanotecnología de la naturaleza sitio web el 15 de junio.

"Hemos creado lo que es esencialmente la bombilla de luz más delgada del mundo, "dice Hone, Wang Fon-Jen, profesor de ingeniería mecánica en Columbia Engineering y coautor del estudio. "Este nuevo tipo de emisor de luz de 'banda ancha' se puede integrar en chips y allanará el camino hacia la realización de flexible, y pantallas transparentes, y comunicaciones ópticas en chip basadas en grafeno ".

La creación de luz en pequeñas estructuras en la superficie de un chip es crucial para desarrollar circuitos 'fotónicos' totalmente integrados que hagan con la luz lo que ahora se hace con las corrientes eléctricas en los circuitos integrados de semiconductores. Los investigadores han desarrollado muchos enfoques para hacer esto, pero aún no hemos podido colocar la fuente de luz artificial más antigua y simple, la bombilla incandescente, en un chip. Esto se debe principalmente a que los filamentos de las bombillas deben estar extremadamente calientes (miles de grados Celsius) para brillar en el rango visible y los alambres de metal a microescala no pueden soportar tales temperaturas. Además, La transferencia de calor del filamento caliente a su entorno es extremadamente eficiente a microescala, haciendo que tales estructuras no sean prácticas y dañando el chip circundante.

Midiendo el espectro de la luz emitida por el grafeno, el equipo pudo demostrar que el grafeno alcanzaba temperaturas superiores a los 2500 grados Celsius, lo suficientemente caliente como para brillar intensamente. "La luz visible del grafeno atómicamente delgado es tan intensa que es visible incluso a simple vista, sin ningún aumento adicional, "explica Young Duck Kim, primer y coautor principal del artículo y científico investigador postdoctoral que trabaja en el grupo de Hone en Columbia Engineering.

Curiosamente, el espectro de la luz emitida mostró picos en longitudes de onda específicas, que el equipo descubrió se debió a la interferencia entre la luz emitida directamente por el grafeno y la luz que se refleja en el sustrato de silicio y pasa de regreso a través del grafeno. Kim señala, "Esto solo es posible porque el grafeno es transparente, a diferencia de cualquier filamento convencional, y nos permite ajustar el espectro de emisión cambiando la distancia al sustrato ".

La capacidad del grafeno para alcanzar temperaturas tan elevadas sin fundir el sustrato o los electrodos metálicos se debe a otra propiedad interesante:a medida que se calienta, el grafeno se convierte en un conductor de calor mucho más pobre. Esto significa que las altas temperaturas permanecen confinadas a un pequeño "punto caliente" en el centro.

"A las temperaturas más altas, la temperatura del electrón es mucho más alta que la de los modos vibratorios acústicos de la red de grafeno, de modo que se necesita menos energía para alcanzar las temperaturas necesarias para la emisión de luz visible, "Myung-Ho Bae, investigador principal de KRISS y coautor principal, observa. "Estas propiedades térmicas únicas nos permiten calentar el grafeno suspendido hasta la mitad de la temperatura del sol, y mejorar la eficiencia 1000 veces, en comparación con el grafeno sobre un sustrato sólido ".

El equipo también demostró la escalabilidad de su técnica al realizar arreglos a gran escala de emisores de luz de grafeno depositados por vapor químico (CVD).

Parque Yun Daniel, profesor en el departamento de física y astronomía de la Universidad Nacional de Seúl y coautor principal, señala que están trabajando con el mismo material que usó Thomas Edison cuando inventó la bombilla incandescente:"Edison originalmente usó carbono como filamento para su bombilla y aquí volvemos al mismo elemento, pero usándolo en su forma pura, grafeno, y en su límite de tamaño máximo, un átomo de espesor ".

El grupo está trabajando actualmente para caracterizar aún más el rendimiento de estos dispositivos, por ejemplo, qué tan rápido se pueden encender y apagar para crear 'bits' para comunicaciones ópticas y desarrollar técnicas para integrarlos en sustratos flexibles.

Hone agrega, "Estamos empezando a soñar con otros usos de estas estructuras, por ejemplo, como microplacas que se pueden calentar a miles de grados en una fracción de segundo para estudiar reacciones químicas de alta temperatura o catálisis ".