Farbspiele mit Graphen

Eine optische Mikrokavität besteht aus zwei halbdurchlässigen Metallspiegeln, deren Abstand voneinander die Farbe des von Graphen erzeugten Lichts bestimmt. (Bild: KIT)

Eine optische Mikrokavität besteht aus zwei halbdurchlässigen Metallspiegeln, deren Abstand voneinander die Farbe des von Graphen erzeugten Lichts bestimmt. (Bild: KIT)

Forschern ist es gelungen, eine Lage von Kohlenstoffatomen an einen Hohlraum für Licht zu kop-peln und zum Leuchten anzuregen – KIT-Wissenschaftler sind an dem Projekt beteiligt

Graphen besteht aus einer Lage von Kohlenstoffatomen, die wabenartig angeordnet sind – das besonders dünne und stabile Material birgt für Anwendungen in der Optoelektronik großes Potenzial. Forscher vom Karlsruher Institut für Technologie, der TU Darmstadt, der University of Cambridge und IBM haben nun optoelektronische Bauteile auf Basis von Graphen entwickelt. Mit ihnen können informationstechnische Systeme langfristig kleiner und leistungsfähiger werden. In der Zeitschrift Nature Communications stellen die Forscher ihre Ergebnisse vor.

Graphen kommt im Alltag vor: Das Material steckt beispielsweise – in milliardenfach übereinanderstapelten Schichten – in den Minen herkömmlicher Bleistifte aus Graphit. Als einzelne, atomare Schicht ist Graphen ein außergewöhnlich stabiles Material, welches Hitze und Strom besonders gut leitet und zugleich Licht aufnehmen (ab-sorbieren) und abgeben (emittieren) kann. Damit bietet das Material für Anwendungen in der Optoelektronik großes Potenzial. Die Opto-elektronik befasst sich mit der Wandlung von elektrischen in opti-sche Signale (Licht) und umgekehrt. Langfristiges Ziel der For-schung ist es, optoelektronische Komponenten wie Leuchtdioden, die als Schnittstelle zwischen elektrischen und optischen Kompo-nenten wirken, auf immer kleinere Dimensionen zu schrumpfen. Dadurch können informationstechnische Systeme langfristig deutlich kleiner und leistungsfähiger werden.
Die aktuelle Arbeit des Forscherteams um Professor Ralph Krupke vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und der TU Darmstadt, Professor Hilbert von Löhneysen (KIT), Professor Andrea Ferrari von der University of Cambridge und Dr. Phaedon Avouris vom For-schungslabor der Firma IBM zeigt, dass optoelektronische Bauteile, die Licht unterschiedlicher Wellenlängen selektieren, auch mit Gra-phen realisierbar sind.

Die technische Herausforderung für die Forscher lag darin, zwi-schen Graphen und Elektroden einen Kontakt herzustellen und das Material zugleich in eine optische Mikrokavität zu integrieren. Eine optische Mikrokavität ist eine Struktur im Mikrometerbereich, die aus durch zwei für Licht unterschiedlicher Wellenlängen halbdurchlässi-ge Spiegel mit einem genau definierten Abstand besteht. Mit dem genau festgelegten Spiegelabstand ist die Mikrokavität durchlässig für Licht einer bestimmten Farbe. Hierfür übertrug Dr. Antonio Lom-bardo (UC) Graphen auf das Zielsubstrat. Anschließend konnte der Physiker Michael Engel (KIT) durch komplexe Fabrikationsverfahren im Nano- und Mikrobereich Graphen mit Elektroden verbinden und zwischen zwei Silberspiegeln mit nur einigen Nanometer Abstand zueinander platzieren.

Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung gelang es Dr. Ma-thias Steiner (IBM) und Michael Engel (KIT) Graphen zu erhitzen. Ähnlich wie eine Glühbirne beginnt das Material, bei hohen Tempe-raturen Licht zu emittieren. Die Farbe des emittierten Lichts ist je-doch, im Gegensatz zum Weißlicht einer Glühbirne, nun durch die umgebende Mikrokavität bestimmt.

Das DFG-Zentrum für funktionelle Nanostrukturen hat die Arbeit unterstützt.

Literatur:

Michael Engel, Mathias Steiner, Antonio Lombardo, Andrea C. Ferrari, Hilbert v. Löhneysen, Phaedon Avouris, and Ralph Krupke: Light–matter interaction in a microcavity-controlled graphene transistor. Na-ture Communications, published online 19 Juni 2012 (DOI: 10.1038/ncomms1911).

Speichere in deinen Favoriten diesen permalink.