Wetenschappers gebruiken grafeen als bron voor zichtbaar licht

Het is wetenschappers gelukt een bron van zichtbaar licht op een chip te maken met behulp van grafeen als 'gloeidraad'. Het opwekken van licht in zeer kleine structuren op een chip is onder andere belangrijk voor ontwikkelingen rond toekomstige chips die werken op basis van licht.

Het onderzoek staat in Nature Nanotechnology en beschrijft hoe het de onderzoekers gelukt is een gloeidraad van grafeen in een minuscule opstelling te verwerken zonder dat het omliggende materiaal te heet werd.

Vooral dat laatste is interessant; delen van de gloeidraad van grafeen bereikten een temperatuur van meer dan 2500 graden Celsius, waardoor het licht voor het blote oog zichtbaar was. Dat de metalen elektroden waarmee het grafeen was verbonden niet smolten, heeft te maken met de warmtegeleidende eigenschappen van grafeen: hoe hoger de temperatuur, hoe slechter het materiaal hitte geleidt, waardoor de hoge temperaturen ruimtelijk gezien in het centrum van de gloeidraad blijven. Doordat de hitte beperkt blijft tot de elektronen in het centrum, is het zeer energie-efficiënt om op deze manier licht te genereren.

Ook vond versterking van het licht plaats door interferentie van sommige golflengten. Die interferentie ontstond doordat het licht dat van het grafeen afstraalde naar het siliciumsubstraat waar de gloeidraad overheen gespannen was, door het grafeen heen terugkaatste. Dit kan doordat grafeen van slechts één atoomlaag dik, transparant is. Op deze manier kan het overheersende spectrum veranderd worden door de afstand tot de siliciumbodem te variëren.

De onderzoekers hebben ook geëxperimenteerd met arrays van de lichtbron. Met grotere arrays van de chips kunnen atoomlaagdunne, flexibele en transparante grafeenleds en displays gemaakt worden, evenals op grafeen gebaseerde optische communicatie op een chip.

Helaas!
De video die je probeert te bekijken is niet langer beschikbaar op Tweakers.net.

Reacties (28)

[lordprimoz]

Voor de liefhebber is hier een afbeelding te vinden waarop het licht daadwerkelijk te zien is.
http://phys.org/news/2015...d-thinnest-lightbulb.html
en hier:
http://www.nature.com/nna...cle/nnano.2015.118-f1.jpg

[Reactie gewijzigd door lordprimoz op 23 juli 2024 21:31]

[letatcest]

Plaatje toegevoegd, dank voor de openbare link!

[lordprimoz]

Er is in het volgende artikel een hoop beschreven:
http://www.nature.com/nna...ref/nnano.2015.118-s1.pdf

Het gehele process om deze devices te maken bestaat uit 11 stappen.

• Mechanically exfoliated graphene was prepared on a SiO2/Si substrate.
• A PMMA (Polymethyl methacrylate, 950K C4) was spin coated on graphene at 4500 rpm followed by baking process at 180°C for 5 minutes.
• To make a patterned graphene array, PMMA on unwanted areas of graphene was exposed by e-beam lithography, and the remaining PMMA after development acted as an etch mask during O2 plasma etching.
• Patterned graphene array was prepared after removing PMMA with acetone.
• PMMA was spin coated again on the patterned graphene ribbons using the same recipe as in step (2).
• PMMA membrane with graphene ribbons was separated from SiO2/Si substrate in 10% (wt) potassium hydroxide water solution (KOH).
• The separated PMMA membrane with attached graphene was rinsed with DI-water to remove the KOH residue from the graphene surface and dried at room temperature in Nitrogen atmosphere.
• The position of the PMMA membrane with patterned graphene arrays was manipulated on prepared trench substrate (depth: 300 ~ 1100 nm) using home-made micro-position aligner.
• Using micro contact transfer method, each side of the graphene ribbons were attached to the Au electrodes of the prepared trench.
• The PMMA layer was removed by an acetone wash followed by an IPA (Isopropanol) rinse. The suspended ME graphene devices are completed after a critical point drying process

[BillyTheClit]

2500 graden is niet weinig... gaat dit geen koelingsproblemen opleveren als veel van deze lichtbronnen samen op een kleine oppervlakte aangebracht worden?

[letatcest]

Het bijzondere is juist dat grafeen slechter gaat geleiden naarmate het warmer wordt, waardoor de hitte in het centrum geconcentreerd blijft en zodoende de boel eromheen niet beschadigd (staat ook in art.)

Dit zou niet kunnen met bijvoorbeeld wolfraam, omdat daarbij de hitte die nodig is om zichtbaar licht weer te geven, te veel geleid wordt naar het omliggende materiaal en zo de omliggende chip het niet zou overleven.

[lordprimoz]

even ter aanvulling hiervan.

Ze maken gebruik van de Stefan-Boltzmann law om te berekenen welke energy er als straling aan de omgeving wordt afgegeven (over alle golflengtes). De volledige berekening staat in hoofdstuk S9 van dit artikel. Hier komt in ieder geval 8.015 × 10^4 W/m2 uit.
Als je naar de afbeelding kijkt van de devices gaat het om afstanden van enkele micrometers.

Stel dat dit op 1 vierkante mm zou zijn, dan kom je uit op een warmte productie van 8mW

[Reactie gewijzigd door lordprimoz op 23 juli 2024 21:31]

[poktor]

Of beter: waarom geen led-constructie met grafeen? Een gloeilamp maken is zoooo 20e eeuw...

[Qaatloz]

Dat is met grafeen niet eenvoudig mogelijk. Het is niet mijn preciese vakgebied, maar wat ik begrepen heb van de natuurkundige postdocs op mijn groep heeft grafeen een heel snelle phonon&auger relaxatie, wat dus inhoud dat het moeilijk is om een geexiteerd electron via een radiative recombinatie (uitzenden van licht) te laten verlopen. Grafeen is voorlopig nog geen efficient led materiaal, als het dat ooit gaat worden. De eigenschappen van de electronband-structuur zijn niet echt ideaal voor led toepassingen

edit ---
Wat ik hierboven beschreef staat ook in de eerste 2 a 3 regels van het abstract. Led gaat niet werken, thermische eigenschappen bieden wel mogelijkheden.

[Reactie gewijzigd door Qaatloz op 23 juli 2024 21:31]

[_Thanatos_]

Als het grafeen niet als een diode funtioneert, is het per definitie geen led

Maar of het nou een led, een ccfl, een gloeilamp of een haartvuurtje is: het gaat om het uiteindelijke rendement. Hoe dat rendement wordt behaald, doet niet terzake. Dus dat jij dit als een gloeilamp ziet, is hooguit triviaal.

[Reactie gewijzigd door _Thanatos_ op 23 juli 2024 21:31]

[_Thanatos_]

Dat ligt eraan hoeveel grafeen (in massa) er zo heet wordt. Als je bijv maar een microgram van het spul hoeft te verwarmen om tot het equivalent van een 11W spaarlampje te komen, ga je die warmte helemaal niet merken.

De truuk zit em dan ook niet in de temperatuur, maar de hoeveelheid warmte-energie die er bij vrijkomt. Dat, en dat alleen, maakt het meer of minder efficient dan traditionele lichtbronnen.

[Cow_tipping]

Dat hangt van het vermogen af, en niet van de temperatuur. Aangezien het artikel vermeld dat de geleiding van de warmte in grafeen bij hoge temperatuur erg slecht is zullen de interfaces (hier anode en kathode) ook niet te warm worden.

Ik ben zelf benieuwd of ze hier ook wit licht mee kunnen maken door in de kamer onder het grafeen verschillende vaste hoogtes te maken o.i.d.
Mocht deze nieuwe manier van licht genereren op termijn kunnen concurreren met LED verlichting dan is de uitdaging om dit ook in wit licht om te zetten met weer hele nieuwe fosforen of inderdaad variabele afstanden.

[bitflusher]

Ik denk dat het om kleurtemperatuur gaat in dit artikel: https://www.ledsrefresh.n...ratuur-voor-mijn-led-lamp

[Frank-L]

Het gaat over de echte temperatuur.

[Fido]

Door warmte gegenereerd licht klinkt inefficiënt. Weer terug naar de gloeilamp zeg maar.

[Esumontere]

Het licht wordt ook niet door warmte gegenereerd. Er komt echter ook warmte bij vrij.

[ATS]

Mooie ontwikkeling hoor! Zou je door de afstand te varieren met behulp van het piezoelektrisch effect zo ook een lichtbron kunnen maken die echt van kleur kan veranderen? Wat je nu ziet zijn meestal drie of vier RGB(W) leds die gebruikt worden om kleuren te maken, maar een echt van kleur veranderende enkele led brengt natuurlijk weer nieuwe mogelijkheden...

[Cafe Del Mar]

Ik zou wel eens willen weten hoeveel energie ze erin gestoken hebben, en hoeveel Lumen ze eruit gekregen hebben.
Gewoon om te zien of we mogen dromen van een vervanger van LED. Uiteindelijk zijn LED's ondertussen al bijna stokoud (1920/1930). Ondertussen zien we LED's 100 jaar na datum in gebruik als verlichting. Willen we over enkele jaren vernieuwing, dan moeten we wel veelbelovende technologie vinden die dan uitontwikkeld kan worden.
LED's halen nu 200Lm/W, dus het target is alvast gezet .

[Shinigami]

Zoals Qaatloz in een eerdere reactie beschrijft, is grafeen wellicht niet geschikt als efficient materiaal voor LED's.
Dat wil natuurlijk niet zeggen dat er geen ontwikkeling is op het gebied van nieuwe vormen van licht emissie, carbon nanotubes zijn bijvoorbeeld veelbelovend op dit gebied, en halen nu al 60 lumen per watt (http://www.aip.org/publis...ts-using-carbon-nanotubes).

[Rudie_V]

Ah, de nieuwe kooldraadlamp.. alleen kleiner!

[Anoniem: 237962]

Hopelijk wordt er ook nagedacht over de eventuele schade voor de volksgezondheid. Als er massaal grafeen geproduceerd kan en gaat worden, en dit gaat beschadigen, dan ademt iedereen straks lekker allemaal al die nanodeeltjes in, met alle gevolgen van dien.Abest werd vroeger ook handig spul gevonden.

[Dark Angel 58]

Hopelijk wordt er ook nagedacht over de eventuele schade voor de volksgezondheid. Als er massaal grafeen geproduceerd kan en gaat worden, en dit gaat beschadigen, dan ademt iedereen straks lekker allemaal al die nanodeeltjes in, met alle gevolgen van dien.Abest werd vroeger ook handig spul gevonden.

Zodat de nanoprobes van Borgs gaan ons assimileren?

Maar nanoprobes hebben ook goede eigenschappen... ze kunnen ons nog gezonder maken, omdat ze heel erg klein zijn en kunnen overal in het lichaam bereiken, nog veel verder dan de chirurgen! Dat moet je echt niet vergeten!
Is het niet geweldig als ze iemand met kanker in 1 dag kunnen genezen en ook zonder dodelijke chemokuur! Of stervenden weer levendig maken...

Daarom ben ik voorstander van nanoprobes.

[pianoman]

@Kubrick: maar grafeen is toch gewoon koolstof?

[Boonanzor]

De gevaren van asbest zijn ook niet de chemische eigenschappen, maar het feit dat de deeltjes heel erg klein zijn en niet afgebroken worden in het lichaam. Je lichaam reageert door de deeltjes in te kapselen:

http://www.erka-asbest.nl...0asbest%20gevaarlijk.html

Asbest is niet giftig. het bestaat hoofdzakelijk uit dezelfde elementen als steen en glas. Wat asbest gevaarlijk maakt is dat de vezels breken en zich in de lengte splijten tot minuscule lange dunne naaldjes. Deze kunnen zo klein worden dat ze op de huid of in de longen een enkele cel kunnen beschadigen. De cellen van de huid kapselen het naaldje in en dan vormt zich een soort wratje wat eenvoudig kan worden weggehaald. Maar in de longen is dat anders.

Verreweg het grootste deel van alle stofdeeltjes die we inademen, ademen we ook weer uit. De rest wordt opgevangen door het natuurlijke afweersysteem in de longen. Maar ons systeem is niet in staat om die hele kleine asbestvezeltjes te vangen. Die kunnen daarom heel diep in de longen doordringen. Als ze daar een cel van ons longvlies beschadigen, dan kan deze cel zich gaan gedragen als een kankercel. Het kan tot 10 tot wel 40 jaar duren voordat we merken wat er aan de hand is.

Mocht grafeen of grafenen carbon nanotubes net zo reageren, dan kan het wellicht kankerverwekkend zijn.
Maar misschien kan je lichaam grafeen wel afbreken/afvoeren. In dat geval zal er weinig aan de hand zijn...

[434365]

Gaaf hoor, weer een stapje dichter bij de toekomst

[micla]

En dan heb je het over?..de futuristische mogelijkheid ( en mogelijk gelijk de belangrijkste imho ) die ik op dit moment kan bedenken is de lichtcomputer..

[434365]

Daar heb ik het ook over, dat zal in 'computer-kracht' weer een behoorlijke piek veroorzaken