Dirigé par le jeune canard Kim, chercheur postdoctoral dans le groupe de James Hone à Columbia Engineering, une équipe de scientifiques de Colombie, Université nationale de Séoul (SNU), et le Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS) ont annoncé aujourd'hui avoir démontré pour la première fois une source de lumière visible sur puce utilisant du graphène, une forme de carbone atomiquement mince et parfaitement cristalline, en tant que filament. Ils ont attaché de petites bandes de graphène à des électrodes métalliques, suspendu les bandes au-dessus du substrat, et fait passer un courant à travers les filaments pour les faire chauffer. L'étude, "Émission de lumière visible brillante du graphène, " est publié dans l'Advance Online Publication sur Nature Nanotechnologie le site Web de le 15 juin.

"Nous avons créé ce qui est essentiellement l'ampoule la plus fine du monde, " dit Hone, Wang Fon-Jen Professeur de génie mécanique à Columbia Engineering et co-auteur de l'étude. "Ce nouveau type d'émetteur de lumière 'large bande' peut être intégré dans des puces et ouvrira la voie à la réalisation de fines particules atomiques, souple, et des écrans transparents, et les communications optiques sur puce à base de graphène. »

La création de lumière dans de petites structures à la surface d'une puce est cruciale pour développer des circuits «photoniques» entièrement intégrés qui font avec la lumière ce qui se fait maintenant avec les courants électriques dans les circuits intégrés à semi-conducteurs. Les chercheurs ont développé de nombreuses approches pour ce faire, mais n'ont pas encore été en mesure de mettre la source de lumière artificielle la plus ancienne et la plus simple - l'ampoule à incandescence - sur une puce. Cela est principalement dû au fait que les filaments des ampoules doivent être extrêmement chauds (des milliers de degrés Celsius) pour briller dans le visible et que les fils métalliques à micro-échelle ne peuvent pas résister à de telles températures. En outre, le transfert de chaleur du filament chaud à son environnement est extrêmement efficace à l'échelle microscopique, rendant de telles structures peu pratiques et conduisant à endommager la puce environnante.

En mesurant le spectre de la lumière émise par le graphène, l'équipe a pu montrer que le graphène atteignait des températures supérieures à 2500 degrés Celsius, assez chaud pour briller de mille feux. "La lumière visible du graphène atomiquement mince est si intense qu'elle est visible même à l'œil nu, sans aucun grossissement supplémentaire, " explique Young Duck Kim, premier et co-auteur principal de l'article et chercheur postdoctoral qui travaille dans le groupe de Hone à Columbia Engineering.

De façon intéressante, le spectre de la lumière émise montrait des pics à des longueurs d'onde spécifiques, que l'équipe a découvert était due à une interférence entre la lumière émise directement par le graphène et la lumière se reflétant sur le substrat de silicium et revenant à travers le graphène. Kim note, "Ceci n'est possible que parce que le graphène est transparent, contrairement à tout filament conventionnel, et nous permet d'ajuster le spectre d'émission en modifiant la distance au substrat."

La capacité du graphène à atteindre des températures aussi élevées sans faire fondre le substrat ou les électrodes métalliques est due à une autre propriété intéressante :en s'échauffant, le graphène devient un conducteur de chaleur beaucoup plus pauvre. Cela signifie que les températures élevées restent confinées à un petit « point chaud » au centre.

« Aux températures les plus élevées, la température électronique est bien supérieure à celle des modes vibrationnels acoustiques du réseau de graphène, de sorte que moins d'énergie est nécessaire pour atteindre les températures nécessaires à l'émission de lumière visible, " Myung Ho Bae, chercheur senior au KRISS et co-auteur principal, observe. "Ces propriétés thermiques uniques nous permettent de chauffer le graphène en suspension jusqu'à la moitié de la température du soleil, et améliorer l'efficacité 1000 fois, par rapport au graphène sur un substrat solide."

L'équipe a également démontré l'évolutivité de leur technique en réalisant à grande échelle des réseaux d'émetteurs de lumière au graphène par dépôt chimique en phase vapeur (CVD).

Parc Yun Daniel, professeur au département de physique et d'astronomie de l'Université nationale de Séoul et co-auteur principal, note qu'ils travaillent avec le même matériau que Thomas Edison a utilisé lorsqu'il a inventé l'ampoule à incandescence :« Edison utilisait à l'origine du carbone comme filament pour son ampoule et nous revenons ici au même élément, mais en l'utilisant sous sa forme pure - le graphène - et à sa limite de taille ultime - un atome d'épaisseur."

Le groupe travaille actuellement à mieux caractériser les performances de ces appareils, par exemple, à quelle vitesse ils peuvent être activés et désactivés pour créer des « bits » pour les communications optiques et développer des techniques pour les intégrer dans des substrats flexibles.

Hone ajoute, « Nous commençons à peine à rêver à d'autres utilisations de ces structures, par exemple, comme des microplaques chauffantes qui peuvent être chauffées à des milliers de degrés en une fraction de seconde pour étudier les réactions chimiques à haute température ou la catalyse.