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Crean con grafeno una bombilla-en-un-chip

El material permite alcanzar las altísimas temperaturas necesarias para emitir en el rango visible sin perjudicar al entorno


Científicos de EE.UU. y Corea del Sur han desarrollado una fuente de luz visible en-un-chip utilizando grafeno como filamento. El grafeno es capaz de alcanzar la mitad de la temperatura del sol, que es la necesaria para poder emitir en luz visible, sin provocar daños en el chip. Es el mismo material que se utilizó para crear la bombilla, pero en su versión de grosor atómico.




Visión esquemática de la emisión de luz producida en el centro del grafeno. Imagen: Young Duck Kim. Fuente: Universidad de Columbia.
Visión esquemática de la emisión de luz producida en el centro del grafeno. Imagen: Young Duck Kim. Fuente: Universidad de Columbia.
Liderados por Young Kim Duck, un investigador postdoc del grupo de James Hone de la Universidad de Columbia, un equipo de científicos de Columbia, la Universidad Nacional de Seúl (SNU), y el Instituto Coreano de Investigación de Normas y Ciencia (Kriss) informó ayer de que han desarrollado por primera vez una fuente de luz visible en-un-chip usando grafeno como filamento.

El grafeno es una forma atómicamente fina y perfectamente cristalina del carbono. Los investigadores unieron pequeñas tiras de grafeno a electrodos de metal, suspendieron las tiras por encima del sustrato, y pasaron una corriente a través de los filamentos para hacer que se calentara. El estudio se ha publicado en Nature Nanotechnology.

"Hemos creado lo que es básicamente la bombilla más delgada del mundo", dice Hone, profesor de Ingeniería Mecánica de Columbia y coautor del estudio, en la información de la universidad. "Este nuevo tipo de emisor de luz de banda ancha se puede integrar en los chips y allanará el camino hacia el desarrollo de pantallas atómicamente delgadas, flexibles y transparentes, y a las comunicaciones ópticas en-un-chip basadas en grafeno".

Contexto

La creación de 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 hacer esto, pero aún no han sido capaces de poner la fuente más antigua y más simple de luz artificial, la bombilla incandescente, en un chip. Esto es principalmente porque los filamentos de la bombilla deben estar extremadamente calientes, a miles de grados centígrados, para poder brillar en el rango visible y los alambres de metal a microescala no pueden soportar tales temperaturas. Además, la transferencia de calor desde el filamento caliente a sus alrededores es extremadamente eficiente en la microescala, por lo que tales estructuras son poco prácticas y provocan 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, suficientemente caliente para brillar intensamente. "La luz visible del grafeno atómicamente fino es tan intensa que es visible incluso a simple vista, sin ninguna ampliación adicional", explica Kim, co-autor principal del artículo.

Picos

Curiosamente, el espectro de la luz emitida mostró picos a determinadas longitudes de onda, que el equipo descubrió que se debían a la interferencia entre la luz emitida directamente desde el grafeno y la luz reflejada en el sustrato de silicio, que pasa de nuevo 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."

La capacidad del grafeno para alcanzar temperaturas tan altas sin fundir el sustrato o los electrodos de metal se debe a otra propiedad interesante: cuando se calienta, el grafeno se convierte en un conductor mucho más pobre de calor. Esto significa que las altas temperaturas se mantienen confinadas en un pequeño "punto caliente" en el centro.

"A las temperaturas más altas, la temperatura de los electrones es mucho más alta que la de los modos vibracionales acústicos de la red de grafeno, de manera que se necesita menos energía para alcanzar las temperaturas necesarias para la emisión de luz visible", explica Myung-Ho Bae, investigador de Kriss y co-autor principal. "Estas propiedades térmicas únicas nos permiten calentar el grafeno suspendido hasta la mitad de la temperatura del sol, y multiplicar la eficiencia por 1.000, en comparación con el grafeno sobre un sustrato sólido."

Escalable

El equipo también demostró la escalabilidad de su técnica desarrollando matrices a gran escala de emisores de luz hechos de grafeno.

Yun Daniel Park, profesor del Departamento de Física y Astronomía de la Universidad Nacional de Seúl y co-autor principal, señala que se está 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 utilizado en su forma pura de grafeno y en su tamaño límite, de un átomo de espesor."

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 las comunicaciones ópticas, y para desarrollar técnicas para integrarlos en sustratos flexibles.

Hone añade: "Estamos empezando a soñar con otros usos para estas estructuras, por ejemplo, micro-placas que puedan calentarse a miles de grados en una fracción de segundo para estudiar las reacciones químicas o catálisis a altas temperaturas."

En la investigación participaron también la Universidad de Konkuk, la Universidad Sogang, la Universidad Sejong, la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, y la Universidad de Stanford.

Referencia bibliográfica:

Young Duck Kim, Hakseong Kim, Yujin Cho, Ji Hoon Ryoo, Cheol-Hwan Park, Pilkwang Kim, Yong Seung Kim, Sunwoo Lee, Yilei Li, Seung-Nam Park, Yong Shim Yoo, Duhee Yoon, Vincent E. Dorgan, Eric Pop, Tony F. Heinz, James Hone, Seung-Hyun Chun, Hyeonsik Cheong, Sang Wook Lee, Myung-Ho Bae, Yun Daniel Park: Bright visible light emission from graphene. Nature Nanotechnology (2015). DOI: 10.1038/nnano.2015.118.

Martes, 16 de Junio 2015
Universidad de Columbia/T21
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