Hehkulamppu mikropiirille

Ryhmä tiedemiehiä Columbia Engineeringistä, Seoul National Universitystä (SNU) ja Korea Research Institute of Standards and Sciencestä (KRISS) ovat kehittäneet mikrosirutasolle suunnitellun hehkulangan.

He kiinnittivät pienen suikaleen grafeenia metallisiin elektrodeihin ja ripustivat sen nauhaksi alustan yläpuolelle. Kun siihen johdettiin virtaa, se hehkui kuin hehkulampun lanka, näkyvän valon alueella.

Näin luotu maailman ohuin hehkulamppu voidaan integroida jopa mikropiirille. Siten se pohjustaa tietä atomisesti ohuille, joustaville ja läpinäkyville näytöille sekä grafeenipohjaisille optisen viestinnän piireille.

Sinänsä historiallista, että myös Edison käytti aikoinaan ensimmäisissä hehkulampuissaan hehkulankana hiiltä.

Jo aiemmin on saatu aikaan grafeenisia infrapunaa hehkuvia valolähteitä. Näkyvä valo vaatii kuitenkin tuhansien asteiden lämpötilaa ja tämä tekee aiheen mielenkiintoiseksi koska mikrokokoiset rakenteet eivät sellaisia kestä.

Nyt kun grafeeniliuska on ripustettu elektrodien välille, se jo sinänsä vähentää lämmön siirtymistä. Lisäksi, lämmetessään grafeeni heikkenee lämmönjohteena, joten korkeat lämpötilat rajoittuivat pieneen "hot spottiin" keskellä grafeeniliuskaa.

Kuuma piste sitten lämpenikin aina yli 2500 Celsius-asteeseen, jolloin se hehkui jopa paljain silmin nähtynä. Korkeimmissa lämpötiloissa, elektronien lämpötila on paljon korkeampi kuin grafeenihilan akustiset värähtelymoodit, joten vähemmällä energialla saavutetaan lämpötiloja, joita tarvitaan näkyvän valon emissiolle", toteavat tutkijat tiedotteessaan.

Tutkijoiden mukaan 2800 kelvinin elektronilämpötila saavutettiin tehonkäytöllä 1.756 × 10⁷ W/m² (VSD = 2.7 V, ID = 125 µA). Terminen tehokkuus onkin tuhatkertainen verrattuna alustalla olevaan grafeeniin.

Uusi lisäpiirre on se, että emittoidun valon spektrissä esiintyi piikkejä eri aallonpituuksilla. Ryhmä mukaan ne johtuivat erilaisista läpinäkyvän grafeenin ja taustan välisistä interferensseistä. Tämä antaa myös mahdollisuuden virittää emissiospektriä muuttamalla etäisyyttä alustaan.

Ryhmä osoitti myös tekniikkansa skaalautuvuutta toteuttamalla laaja-alaisen paneelin CVD:llä tuotetuista grafeeni valoemittereistä.

Mikrotason valonlähteen lisäksi tutkijat ideoivat rakennetta käytettäväksi esimerkiksi mikrokokoisina lämpölevyinä, jotka voidaan lämmittää tuhansiin asteisiin sekunnin murto-osassa tutkittaessa korkean lämpötilan kemiallisia reaktioita tai katalyysejä.