Un equipo de científicos de varios países liderados por la Universidad Columbia ha informado que ha conseguido por primera vez crear una fuente de luz visible sobre chip usando grafeno.

Foto de Portada: Young Duck Kim and Prof. James Hone

Un equipo de científicos de la Universidad de Columbia, la Universidad Nacional de Seúl (SNU), y el Instituto Coreano de Investigación de Normas y Ciencia (KRISS) liderado por Young Kim Duck, un científico investigador postdoctoral del grupo de James Hone en Columbia Engineering, ha informado que han conseguido  por primera vez crear una fuente de luz visible sobre chip usando grafeno, una forma atómicamente fina y perfectamente cristalina del carbono, como un filamento. Los científicos ataron pequeñas tiras de grafeno a electrodos de metal, suspendieron las tiras por encima del sustrato, e hicieron pasar  una corriente a través de los filamentos para hacer que se calentasen. El estudio, » Emisión de luz visible brillante a partir grafeno», se publicó en la Advance Online Publication (AOP) de Nature Nanotechnology el 15 de junio.

«Hemos creado la que es en esencia la bombilla más fina del mundo», dice Wang Fon-Jen Profesor de Ingeniería Mecánica de la Columbia Engineering y coautor del estudio. «Este nuevo tipo de emisor de luz de » banda ancha » se puede integrar en los chips y allanará el camino hacia la realización de pantallas atómicamente delgadas, flexibles y transparentes, y el comunicaciones ópticas on- chip basadas en grafeno.»

Sustitución de corriente eléctrica por luz

La creación de la luz en estructuras pequeñas en la superficie de un chip es crucial para el desarrollo de circuitos integrados plenamente «fotónicos» que hagan con la luz de lo que se hace ahora con corrientes eléctricas en circuitos integrados de semiconductores. Los investigadores han desarrollado muchos métodos para hacerlo, pero aún no han sido capaces de poner la fuente de luz artificial más antigua y más simple, la bombilla incandescente en un chip. Esto se debe principalmente a que los filamentos de la bombilla deben alcanzar temperaturas extremadamente altas de miles de grados centígrados para brillar en la escala visible pero los alambres de metal de micro-escala no pueden soportar tales temperaturas. Además, la transferencia de calor desde el filamento caliente a su entorno es extremadamente eficiente en la micro-escala, por lo que tales estructuras se hacen poco prácticas y se producen daños en el chip circundante.

Al medir el espectro de la luz emitida por el grafeno, el equipo fue capaz de demostrar que el grafeno estaba alcanzando temperaturas superiores a 2.500 grados centígrados, lo suficientemente caliente como para brillar intensamente. «La luz visible de grafeno atómicamente fino es tan intensa que es visible incluso a simple vista, sin ninguna ampliación adicional», explica Kim, lider y co-autor principal del artículo.

Curiosamente, el espectro de la luz emitida mostró picos a determinadas longitudes de onda, un efecto que según descubrió el equipo se debe a la interferencia entre la luz emitida directamente desde el grafeno y la luz que se refleja en el sustrato de silicio y que pasa a través del grafeno. Kim señala: «Esto sólo es posible porque el grafeno es transparente, a diferencia de cualquier filamento convencional, y nos permite sintonizar el espectro de emisión cambiando la distancia al sustrato.»

Propiedades térmicas que mejoran la eficiencia

La capacidad del grafeno de alcanzar temperaturas tan altas sin fundir el sustrato o los electrodos de metal se debe a otra propiedad interesante: a medida que se calienta, el grafeno se convierte en un conductor de calor mucho menos potente. Esto significa que las altas temperaturas se mantienen confinadas en 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 vibracionales acústicos de la celosía de grafeno, de manera que se necesita menos energía para alcanzar temperaturas necesarias para la emisión de luz visible», observa Myung-Ho Bae, investigador senior en KRISS y co-autor principal,. «Estas propiedades térmicas únicas nos permiten calentar el grafeno suspendido hasta la mitad de la temperatura del sol, y mejorar la eficiencia 1.000 veces, en comparación con el grafeno sobre un sustrato sólido.»

El equipo también demostró la escalabilidad de su técnica mediante la realización a gran escala de matrices de emisores de luz de grafeno por deposición química de vapor (CVD por sus siglas en inglés).

Yun Daniel Park, profesor en el Departamento de Física y Astronomía de la Universidad Nacional de Seúl y co-autor principal, señala que están trabajando con el mismo material que Thomas Edison utilizó cuando inventó la bombilla incandescente: «Edison utilizó originalmente carbono como filamento de su bombilla y aquí vamos de nuevo al mismo elemento, pero utilizándolo en su forma pura- el grafeno- y en su tamaño final límite -un átomo de espesor. »

Futuras comunicaciones ópticas de grafeno

El grupo está trabajando actualmente para caracterizar aún más el rendimiento de estos dispositivos, por ejemplo, la rapidez con que se pueden encender y apagar para crear «bits» para comunicaciones ópticas y desarrollar técnicas para integrarlos en sustratos flexibles.

Hone añade: «Estamos empezando a soñar con otros usos para estas estructuras, por ejemplo, como micro-placas calientes que pueden ser calentadas a miles de grados en una fracción de segundo para estudiar las reacciones químicas a altas temperaturas o la catálisis.»

La investigación ha sido realizada por investigadores de la Columbia Engineering, de la Universidad Nacional de Seúl, del Instituto de Investigación de Normas y Ciencia de Corea, de la Universidad de Konkuk, Universidad Sogang, Universidad Sejong, Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, y la Universidad de Stanford.

Más información y los créditos de las entidades involucradas están disponibles en el siguiente enlace.

Video de Myung-Ho Bae / KRISS sobre Emisión de luz visible en grafeno

En este clip se muestra esquematicamente la emission de luz del grafeno y la ingeniería del espectro de radiacion debido al efecto de una interferencia óptica fuerte. La vibración del grafeno durante la emisión de luz se debe a la modalidad de flexion que adopta el grafeno  a altas temperaturas. Publicado el 15 jun. 2015