Leds av Young Duck Kim, en postdoktor i James Hones grupp vid Columbia Engineering, ett team av forskare från Columbia, Seoul National University (SNU), och Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS) rapporterade idag att de har demonstrerat – för första gången – en synlig ljuskälla på chipet som använder grafen, en atomärt tunn och perfekt kristallin form av kol, som en filament. De fäste små remsor av grafen på metallelektroder, hängde remsorna ovanför underlaget, och ledde en ström genom filamenten för att få dem att värmas upp. Studien, "Ljusa synligt ljusemission från grafen, " publiceras i Advance Online Publication den Naturens nanoteknik hemsida den 15 juni.

"Vi har skapat vad som i princip är världens tunnaste glödlampa, säger Hone, Wang Fon-Jen Professor i maskinteknik vid Columbia Engineering och medförfattare till studien. "Denna nya typ av "bredbandsljussändare" kan integreras i chips och kommer att bana väg mot förverkligandet av atomärt tunna, flexibel, och genomskinliga displayer, och grafenbaserad on-chip optisk kommunikation."

Att skapa ljus i små strukturer på ytan av ett chip är avgörande för att utveckla helt integrerade "fotoniska" kretsar som gör med ljus vad som nu görs med elektriska strömmar i integrerade halvledarkretsar. Forskare har utvecklat många metoder för att göra detta, men har ännu inte kunnat sätta den äldsta och enklaste konstgjorda ljuskällan — glödlampan — på ett chip. Detta beror främst på att glödlampsglödtrådar måste vara extremt varma - tusentals grader Celsius - för att lysa i det synliga området och metalltrådar i mikroskala inte tål sådana temperaturer. Dessutom, värmeöverföringen från den varma glödtråden till dess omgivning är extremt effektiv i mikroskala, gör sådana strukturer opraktiska och leder till skada på det omgivande chipet.

Genom att mäta spektrumet av ljuset som emitteras från grafen, teamet kunde visa att grafenet nådde temperaturer över 2500 grader Celsius, tillräckligt varmt för att lysa starkt. "Det synliga ljuset från atomärt tunt grafen är så intensivt att det är synligt även för blotta ögat, utan ytterligare förstoring, " förklarar Young Duck Kim, första och medförfattare på pappers- och postdoktorn som arbetar i Hones grupp vid Columbia Engineering.

Intressant, spektrumet för det emitterade ljuset visade toppar vid specifika våglängder, vilket teamet upptäckte berodde på interferens mellan ljuset som emitterades direkt från grafenet och ljus som reflekterades från kiselsubstratet och passerade tillbaka genom grafenet. Kim noterar, "Detta är bara möjligt eftersom grafen är transparent, till skillnad från alla konventionella filament, och låter oss ställa in emissionsspektrumet genom att ändra avståndet till substratet."

Grafens förmåga att uppnå så höga temperaturer utan att smälta substratet eller metallelektroderna beror på en annan intressant egenskap:när den värms upp, grafen blir en mycket sämre ledare av värme. Detta innebär att de höga temperaturerna förblir begränsade till en liten "hot spot" i mitten.

"Vid de högsta temperaturerna, elektrontemperaturen är mycket högre än den för akustiska vibrationslägen i grafengittret, så att mindre energi behövs för att uppnå temperaturer som behövs för synligt ljus, "Myung-Ho Bae, senior forskare vid KRISS och medförfattare, observerar. "Dessa unika termiska egenskaper gör att vi kan värma det suspenderade grafenet upp till hälften av solens temperatur, och förbättra effektiviteten 1000 gånger, jämfört med grafen på ett fast substrat."

Teamet demonstrerade också skalbarheten av deras teknik genom att realisera storskaliga arrayer av kemisk-ångavsatt (CVD) grafenljussändare.

Yun Daniel Park, professor vid institutionen för fysik och astronomi vid Seoul National University och medförfattare, noterar att de arbetar med samma material som Thomas Edison använde när han uppfann glödlampan:"Edison använde ursprungligen kol som glödtråd för sin glödlampa och här går vi tillbaka till samma element, men använder den i sin rena form - grafen - och vid dess slutliga storleksgräns - en atom tjock."

Gruppen arbetar för närvarande med att ytterligare karakterisera prestandan för dessa enheter, t.ex. hur snabbt de kan slås på och av för att skapa "bitar" för optisk kommunikation – och för att utveckla tekniker för att integrera dem i flexibla substrat.

Hone tillägger, "Vi har precis börjat drömma om andra användningsområden för dessa strukturer - till exempel, som mikrovärmeplattor som kan värmas upp till tusentals grader på en bråkdel av en sekund för att studera kemiska reaktioner eller katalys vid hög temperatur."