(Phys.org) - För närvarande alla ljusdioder (lysdioder) avger ljus i endast en färg, som är fördefinierad under tillverkningen. Än så länge, att justera ljusfärgen som produceras av en enda LED har aldrig förverkligats, trots många försök.

Så det är ganska anmärkningsvärt att i en ny studie, forskare har visat en LED som inte bara kan ställas in för att avge olika färger av ljus, men kan göra det över nästan hela det synliga spektrumet:från blått (450 nm våglängd) till röd (750 nm våglängd)-i princip alla färger utom de mörkaste blues och fioler.

Nyckeln till att uppnå den färginställbara lysdioden är att göra den ur grafen-samma material som har lett till banbrytande forskning inom ett antal områden, från batterier till solceller till halvledare. Trots grafens framgångar inom dessa områden, grafenbaserade lysdioder har aldrig förverkligats förut, vilket gör den nya enheten till den första grafenbaserade lysdioden någonsin förutom att vara den första färginställbara lysdioden.

Tillämpningar av den nya lysdioden inkluderar högkvalitativ, färginställbara LED-skärmar för TV-apparater och mobila enheter, färginställbara LED-armaturer, och potentialen för en mängd framtida grafenbaserade fotoniska enheter.

Blandning av två former av grafen

Forskarna, ledd av professor Tian-Ling Ren vid Tsinghua University i Peking, gjort det ljusemitterande materialet från gränssnittet mellan två olika former av grafen. Dessa former är grafenoxid (GO), som tillverkas av billig grafit, och reducerad grafenoxid (rGO), som är en mer orörd form av GO.

Att ligga vid gränssnittet för GO och rGO är en speciell typ av delvis reducerad GO som har optisk, fysisk, och kemiska egenskaper som ligger någonstans mellan GO och rGO:s. Den viktigaste "blandade" egenskapen hos gränssnittsskiktet är att det har en serie diskreta energinivåer, som i slutändan möjliggör utsläpp av ljus vid många olika energier, eller färger.

Förekomsten av den här egenskapen är särskilt intressant eftersom, själva, varken GO eller rGO (eller någon annan känd form av grafen, för den delen) kan avge vilket ljus som helst. Detta beror på att inget material har rätt storlek "bandgap, "vilket är gapet mellan två energiband som elektroner måste hoppa över för att leda elektricitet eller avge ljus. Medan GO har en extremt stor bandgap, rGO har en nollbandgap.

Istället för att ha en bandgap någonstans mellan GO och rGO, det delvis reducerade gränssnittet GO har faktiskt många olika mellanliggande bandgap som ett resultat av hur blandningen sker - inte som en smidig övergång, men i form av rGO -nanokluster inbäddade i GO -lagret. Eftersom dessa rGO -nanokluster reduceras i varierande grad vid gränssnittet, de uppvisar variationer i sina energinivåer och, följaktligen, i färgen på emitterat ljus. Dessa energinivåer kan enkelt moduleras genom att ändra den applicerade spänningen eller genom kemisk dopning, som selektivt stimulerar en enda luminescensfärg och möjliggör justering av lysdiodens färg.

"Vi fann att en kombination av GO och rGO kan skapa ett ledande och brett bandgapmaterial, "Berättade Ren Phys.org . "Det är allmänt känt att grafen inte har någon bandgap. Därför blev vi alla förvånade över att vårt GO/rGO-gränssnitt (ett grafenbaserat system) faktiskt kan vara självlysande."

Kommersiella förväntningar

Det faktum att detta är den första observationen av luminescens i ett grafenbaserat system banar vägen för att använda grafen som en ljuskälla i framtida grafenbaserade fotoniska enheter. En färginställbar LED har också varit mycket önskvärd för högkvalitativa LED-skärmar och armaturer. Eftersom färgen ändras som svar på vissa kemikalier, enheterna kan också ha avkänningsprogram.

"Grafenbaserat, färginställbara lysdioder kan möjliggöra realisering av flexibel displayteknik som kan täcka hela det synliga spektrumet, "Ren sa." Konventionella lysdioder avger bara en fast våglängd av ljus och därför kräver displayteknologi en blandning av rött, grön, och blå lysdioder. Om en grafenbaserad, färginställbar LED används, en fullfärg och flexibel display kan realiseras på ett enkelt sätt. Ett brett utbud av konsument- och medicinsk elektronik kan dra nytta av en sådan teknik. "

I deras arbete, forskarna utformade, tillverkad, och testade 20 grafenbaserade lysdioder. Övergripande, enheterna visade bra ljusstyrka men låg effektivitet, som de planerar att förbättra. En annan nackdel med den nuvarande prototypen är en mycket kort utsläppstid på mindre än en minut eller så vid omgivande förhållanden och cirka 2 timmar i vakuum. Forskarna tillskriver den korta livstiden till oxidation i luften och förutspår att skyddande beläggningar kan förbättra detta område.

Trots utrymmet för förbättringar, forskarna förväntar sig att de grafenbaserade lysdioderna har uppmuntrande kommersiella utsikter på grund av flera fördelar, inklusive deras exakta färginställning, kompakt struktur, och enkel tillverkning.

"Effektiviteten hos grafen -LED kan förbättras ytterligare, "Ren sa." Ett sätt att uppnå detta skulle vara genom att använda n-typ [halvledar] material kombinerat med grafen. Den korta livslängden kan också förbättras genom vakuumtätning. Kommersialisering kan förväntas om några år eftersom vår metod är enkel och billig. Som med all annan teknisk utveckling som kommer från ett laboratorium, utmaningar finns; dock, Vi tror att dessa utmaningar kan övervinnas inom en snar framtid. Vi tror att grafenbaserade, färginställbara lysdioder är en lovande teknik för flexibla skärmar. "

© 2015 Phys.org