Puolijohteisiin perustuvat valodiodit (LED) ovat mullistaneet kuluttajavalaisimen alan vähentämällä sähkönkulutusta viidellä. Ne ovat vähitellen syrjäyttäneet hehkulamput, jotka tuottavat valoa metallifilamentin lämpösäteilyllä.
Taiteilijan näkemys grafeenipohjaisesta LED-valodiodista, joka on valmistettu boorinitridistä.
© LPENS
© LPENS
Näiden johtavien metallien ja LED:ien puolijohteiden välissä on grafiitti, kaksidimensionaalinen puolimetallinen materiaali, jota voisi kutsua "välimaastoksi", koska sillä on ominaisuuksia, jotka liittyvät molempiin edellisiin. Ei ole yllättävää, että se osoittaa esimerkiksi korkeassa jännitteessä hyvin dokumentoitua hehkua (näkyvässä ja lähi-infrapuna-alueella).
Vuonna 2018 sähkövirran vaihteluiden mittaus oli viitannut siihen, että korkealaatuisen grafiitin elektronit voisivat saavuttaa epätasapainoisen tilan, joka suosii sähköluminesenssin valon emitointia. Kuitenkin tämä ennustus, joka on yllättävä materiaalille, jolla ei ole kiellettyä kaistaa, kaipasi kokeellista vahvistusta.
Ranskalaisen yhteistyön tuloksena julkaistussa Nature-lehden artikkelissa ranskalainen tutkimusryhmä osoittaa ensimmäistä kertaa, että tietyissä olosuhteissa grafiitti voi emittoida yli luonnollisen hehkunsa siirtymällä sähköluminesenssin tilaan. Tämä tila, joka emittoi (keskisessä infrapuna-alueessa) aallonpituudella 6,5 µm, on mahdollinen, kun grafiittikristalli on erityisen puhdas ja virheistä vapaa, samalla kun se on suojattu ulkoisilta fysikaalis-kemiallisilta hyökkäyksiltä 2D-materiaalista koostuvan hexagonaalisen boorinitridi-matriisin avulla.
Tämä löytö oli saanut rinnalleen toisen yllätyksen: grafiitin sähköluminesenssin tilassa tutkijat havaitsivat poikkeuksellisen suuren energian siirron tehokkuuden lisääntymisen lähellä olevan sähkömagneettisen kentän siirrossa grafiitti/boorinitridi-pinnoitteessa.
Infrapuna-pyrometrian avulla - tekniikka, jota käytetään yleisesti rakennusten lämpöhäviön määrittämiseen infrapunakameran avulla - tutkijat ovat osoittaneet, että grafiitin elektronit siirtävät suurimman osan laitteeseen syötetystä sähkötehosta substraattiin materiaalin kapseloinnin erityisten eksitaatioiden kautta (boorinitridi-hyperboliset fonon-polaritoniit).
Tähän asti tämä säteilysiirtomekanismi, vaikka se tunnetaan puolijohteisiin perustuvissa valodiodeissa, on pidetty anekdoottisena ilmiönä sen erittäin alhaisen tehokkuuden vuoksi. Tässä se muuttuu hallitsevaksi energian siirtomekanismiksi (jopa 75%).
Lopuksi konsortio on osoittanut, että tämä energian siirto riippuu ratkaisevasti grafiitin kapseloinnin kiteisestä laadusta. Itse asiassa käyttämällä boorinitridiä, joka on valmistettu polymeerikeramiikkamenetelmällä, on mahdollista sammuttaa lähellä olevan sähkömagneettisen kentän siirto muuttamatta järjestelmän sähköisiä ominaisuuksia.
Tutkijoiden tavoitteena on nyt hyödyntää grafiitin puolimetallista luonteenpiirrettä indusoidakseen sähköluminesenssia satunnaisilla aallonpituuksilla. Tämä vaihtelu erottuisi selvästi grafiitin ja puolijohteiden välillä, joiden emissioaalto pituus on rajoitettu kielletyn kaistan arvolla. Pitkällä aikavälillä tämän tyyppisen lähteen ennennäkemätön joustavuus voisi avata uusia sovelluksia optiikan, televiestinnän ja elektroniikan aloilla.