Nanotechnologie: „Glühlampe“ aus Graphen ist nur eine Atomlage dick
Forscher der Columbia University in den USA sowie der Seoul National University (SNU) und des Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS) in Südkorea haben erstmals auf Siliziumsubstrat eine Quelle für sichtbares Licht hergestellt, die auf Graphen basiert, einer nur eine Atomlage dicken Kohlenstoff-Modifikation.
Hierzu befestigten sie einen schmalen Streifen Graphen an zwei Metallelektroden hängend über einem Siliziumsubstrat und leiteten Strom hindurch. Das Prinzip ist das gleiche wie bei einer Glühbirne: Der Glühdraht wird so stark erhitzt, dass Licht im sichtbaren Bereich emittiert wird. Messungen des Lichtspektrums ergaben, dass die Temperatur auf über 2.500 Grad Celsius gestiegen ist. Trotz der geringen Größe sei das Licht ohne Hilfsmittel mit bloßem Auge sichtbar gewesen.
Dass dabei die Elektroden und das Siliziumsubstrat keinen Schaden nahmen, erklärt sich durch die Eigenschaft des Graphens, Wärme bei hohen Temperaturen schlechter zu leiten. Die hohe Temperatur konzentrierte sich daher nur an einem kleinen Punkt im Zentrum des Graphenstreifens. Da die Elektronentemperatur bei sehr hohen Temperaturen sehr viel höher ist als die Gittertemperatur des Graphengitters, wird außerdem relativ wenig Energie benötigt, um das Graphen zum Glühen zu bringen.
Bei der Messung des Lichtspektrums stellten die Forscher um Young Duck Kim von der Columbia University zudem Spitzen bei bestimmten Wellenlängen fest. Diese resultieren aus der Interferenz zwischen dem direkt vom Graphen emittierten Licht und dem Licht, das vom Substrat reflektiert wird und dann die transparente Graphen-Schicht durchquert. Unter Ausnutzung dieses Effekts ist es möglich, durch Variation des Abstandes zwischen Glühdraht und Substrat das Spektrum des emittierten Lichts zu beeinflussen, sprich seine Farbe.
Mit seinen Eigenschaften eignet sich der Graphen-Lichtemitter zur Integration auf Siliziumchips und kann so beispielsweise für die optische Kommunikation innerhalb des Chips genutzt werden oder zur Entwicklung dünner, flexibler und transparenter Displays beitragen. Dass die Herstellung des Lichtemitters skalierbar ist, haben die Forscher ebenfalls demonstriert. Hierzu stellten sie auf einem Siliziumsubstrat durch chemische Gasphasenabscheidung größere Anordnungen der Graphen-Lichtemitter her.
Für die weitere Entwicklung hin zu praktischen Anwendungen werden in einem nächsten Schritt die genauen Leistungseckdaten der Emitter festgestellt. Dazu zählt beispielsweise, wie schnell sie sich an- und ausschalten lassen, was für die Informationsübertragung in der optischen Kommunikation entscheidend ist. Zudem gilt es Techniken zu entwickeln, mit denen sich die Emitter in flexible Substrate integrieren lassen.
Die Ergebnisse ihrer Versuche haben die Forscher unter dem Titel „Bright visible light emission from graphene“ in Nature Nanotechnology veröffentlicht.
Im Podcast erinnern sich Frank, Steffen und Jan daran, wie im Jahr 1999 alles begann.