Grafenová žárovka. Kredit: Young Duck Kim / Columbia Engineering

Zdálo by se, že grafen už toho předvedl tolik, že nás nemůže překvapit. Ale chyba lávky. Nanotechnologové totiž z grafenu vyrobili zdroj viditelného světla – úplně nejtenčí žárovku na světě. Takovou žárovku lze jako zdroj širokopásmového světelného záření zabudovat do mikročipu a vyvinout třeba extrémně tenké, ohebné a průhledné displeje nebo pokročilá optoelektronická zařízení pro optickou komunikaci.

Young Duck Kim vlevo. Kredit: Columbia Engineering.

Vývoj grafenové mikrožárovky vedl Young Duck Kim z techniky Kolumbijské univerzity a jihokorejské Národní univerzity Soulu. Jeho tým postavil a úspěšně předvedl první žárovku na čipu, jejímž vláknem je proužek grafenu, jako obvykle o tloušťce jediného atomu. Výzkum Kima a spol. před pár dny zveřejnil na svém webu časopis Nature Nanotechnology.

Vytvoření miniaturních zdrojů světla na mikročipech je nezbytným krokem k vývoji integrovaných fotonických obvodů, které by dělaly se světlem to samé, co dnes dělají integrované polovodičové obvody s elektrickým proudem. Vědci se o to snaží už delší dobu, stále ale naráželi na jeden nepříjemný problém. Zatím se nikomu nepovedlo vytvořit ten úplně nejstarší a nejjednodušší umělý zdroj světla, totiž žárovku se žhnoucím vláknem, kterou by bylo možné zabudovat do mikročipu.

Záře grafenové mikrožárovky v měřítku milimetrů (vlevo) a mikrometrů (vpravo). Kredit: Young Duck Kim / Columbia Engineering

Ne že by vědci nebyli dost šikovní, to jistě ne. Jde o to, že žárovky vyzařují viditelné světlo, až když je jejich vlákno rozžhaví na několik tisíc stupňů Celsia. A když se klasické kovové vlákno žárovky zmenší tak, aby se žárovka vešla na mikročip, tak kovové mikrovodiče takové teploty neustojí a roztaví se. A nejde jen o samotné vlákno žárovky. V rozměrech mikročipu je přenos tepla extrémně účinný, takže teplo vydávané mikrožárovkou s kovovým vláknem spolehlivě zdevastuje její okolí. S grafenem je to ale úplně jiné.

Žárovka z makrosvěta TESCO. Kredit: Jakub Kolář / Wikimedia Commons.

Kim a jeho spolupracovníci vytvořili mikroproužky grafenu, které zavěsili mezi kovové elektrody nad substrátem z křemíku a pak do nich pustili elektrický proud. Grafen se rozžhavil na zhruba 2 500 stupňů Celsia a začal vyzařovat viditelné světlo. Vlastně zářil tak úžasně jasně, že navzdory nepatrným rozměrům bylo světlo mikrožárovky zřetelně viditelné pouhým okem, bez jakéhokoliv zvětšení. Aby toho nebylo málo, grafen je průhledný, což umožňuje upravovat spektrum vyzařovaného světla přibližováním či oddalováním grafenového vlákna vzhledem k substrátu. Část záření se totiž odrazí od křemíkového substrátu, projde grafenem a interferuje s přímo vyzařovaným zářením.

Grafen ustojí žár 2 500 °C zcela v pohodě. Mezi obdivuhodné vlastnosti grafenu patří i to, že se při ohřívání dramaticky snižuje jeho ochota vodit teplo. Výsledkem toho je, že žhavení grafenu zůstává omezeno na malou horkou oblast uprostřed grafenového vlákna mikrožárovky. Při svícení této žárovky nedochází ani tavení vlákna, ani k tavení v okolí žárovky na mikročipu. 

Autoři grafenové zárovky trefně poznamenávají, že jejich výtvor vlastně uzavírá kruh ve vývoji žárovek se žhnoucím vláknem. Objevitel žárovky Thomas Alva Edison totiž původně použil vlákna z uhlíku. Teď se uhlík vrací opět na scénu, i když je to v moderní podobě zcela čistého a v jedné vrstvě atomů uspořádaného grafenu.



Bright visible light emission in graphene. Kredit: Columbia Engineering.


Literatura
Columbia University School of Engineering and Applied Science 15. 6. 2015, Nature Nanotechnology online 15. 6. 2015.