 Команда ученых из Колумбии, Сеульского национального университета и Корейского исследовательского института стандартов и науки впервые продемонстрировала видимый источника света на чипе с использованием графена - атомно тонкой кристаллической формы углерода. Они наложили небольшие полоски графена на металлические электроды, подвесили их над подложкой полоски, и провели ток через волокна, чтобы вызвать их нагрев.
«Мы создали то, что, по существу является самой тонкой в мире лампочкой», говорит Хон Ван Фон-Джен, профессор машиностроения в Колумбийском инженерии и соавтор исследования. «Этот новый тип широкополосного излучателя света может быть интегрированы в микросхемы и проложит путь к реализации атомно тонких, гибких и прозрачных дисплеев и оптических коммуникаций на основе чипов с графеном.
Создание света в небольших структурах на поверхности чипа имеет решающее значение для разработки полностью интегрированные фотонных схем, которые делают со светом то, что сейчас делается с электрическими токами в полупроводниковых интегральных схемах. Исследователи разработали множество подходов, но еще не был в состоянии предоставить простейший искусственный источник света - лампу накаливания - на чипе. Это, прежде всего потому, что легкие нити должны быть очень горячими (до тысячи градусов Цельсия) для того, чтобы светиться в видимом диапазоне металлических проводов, и микро-масштаб не может выдержать таких температур. Кроме того, передача тепла от горячей нити к ее окружению чрезвычайно интенсивна на микроуровне, что делает такие структуры непрактичными и приводит к повреждению чипа.
Измеряя спектр излучаемого света от графена, команда смогла показать, что графен достигал температуры выше 2500 градусов по Цельсию - достаточно горячей, чтобы ярко светиться. Видимый свет от атомно-тонкого графена был настолько интенсивным, что его было видно даже невооруженным глазом, без каких-либо дополнительных увеличений.
Интересно, что спектр излучаемого света показали пиковые значения при определенных длинах волн, обнаруженных учеными, из-за помех между светом, излучаемым непосредственно из графена и света, отражающегося от кремниевой подложки и проходящего обратно через графен. Это возможно только потому, что графен является прозрачным, в отличие от любой обычной нити, и позволяет настроить спектр излучения, изменяя расстояние до подложки.
Способность графена достигать таких высоких температур без плавления подложки или металлических электродов заключается в его другом интересном свойстве: при нагреве, графен становится более худшим проводником тепла. Это означает, что высокие температуры могут удерживаться в небольшой «горячей точке» в центре.
На самых высоких температурах, температура электронов намного выше, чем у акустических колебательных режимов графеновой решетки, поэтому требуется меньше энергии, необходимой для достижения температур, необходимых для видимого светового излучения. Эти уникальные термические свойства позволяют нагревать графен до половины температуры на поверхности Солнца, и повысить эффективность в 1000 раз по сравнению с графеном на твердой подложке.
Команда также продемонстрировала масштабируемость своей техники путем размещения масштабных массивов химико-осажденных в вакууме графеновых излучателей света.
По сути ученые работают с тем же материалом, который Томас Эдисон использовал при изобретении лампы накаливания. Эдисон первоначально использовал уголь в качестве нити его лампочки. Здесь же ученые возвращаются к тому же элементу, но используют его в чистом виде - графене толщиной в один атом.
В настоящее время группа работает над дальнейшим описанием эффективности работы этих устройств - например, как быстро они могут включаться и выключаться, чтобы создать «биты» для оптических коммуникаций - и разработать методы для их интеграции в гибких подложках.
|
