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Nanoleuchte: Graphen-Glühlampe bringt Licht in die Nanowelt

Forscher haben hauchdünne Bänder aus Kohlenstoff zum Leuchten gebracht. Die "kleinsten Glühlampen der Welt" könnten in Zukunft in Chips oder Displays eingesetzt werden.
Graphen als GlühdrahtLaden...

Mit Hilfe ein Atom dicker Kohlenstofffolie haben Wissenschaftler eine extrem miniaturisierte Glühlampe entwickelt, deren Licht sogar mit dem bloßen Auge erkennbar ist. Als "Glühdraht" verwendeten sie unter anderem zwei Mikrometer breite Streifen aus dem Hochleistungsmaterial Graphen, die sie wie eine Brücke zwischen zwei Elektroden spannten. Ab einer bestimmten elektrischen Spannung erhitzt sich das Material so weit, dass es Licht aussendet.

Damit haben die Forscher um Young Duck Kim von der Columbia University in New York das Prinzip der klassischen Glühlampen extrem miniaturisiert. Leitet man Strom durch einen dünnen Metalldraht, erhitzt er sich und beginnt früher oder später zu leuchten. Auf den Mikrometermaßstab lässt sich dieses Prinzip jedoch nicht ohne Weiteres übertragen, unter anderem weil die Drähte bei derart geringen Dicken schnell durchbrennen.

Animation des Prinzips
Ein Video (ohne Ton) veranschaulicht, wie die Atome des Graphenbands sich erhitzen, zu vibrieren beginnen und Licht abstrahlen. Die größte Hitze bleibt dabei auf das Zentrum des in ein Vakuum gepackten Bands beschränkt.

Gleich mehrere Eigenschaften machen jedoch Graphen zu einem idealen Kandidaten für diese Aufgabe: Zum einen reduziert sich seine Wärmeleitfähigkeit mit steigender Temperatur, so dass das über 2500 Grad Celsius heiße Glühen auf den Mittelpunkt des Streifens beschränkt bleibt und nicht die Kontakte beschädigt. Zudem ist Graphen transparent, was bedeutet, dass Photonen, die nach unten abgestrahlt werden, wieder die Graphenbrücke passieren können. Über die Distanz zwischen Brücke und Untergrund ließ sich sogar das Spektrum des erzeugten Lichts manipulieren. Messungen zeigten, dass die Minilampe ihr Licht in einem breiten Frequenzbereich abstrahlt.

Forscher denken an Einsatz in Displays

Laut den Forschern wurde bei ähnlichen Versuchen bislang immer das Graphen direkt auf dem Trägermaterial angebracht und dann erhitzt. Dabei lasse sich nur Licht im Infrarotbereich erzeugen, weil zu viel Energie verloren gehe. Ihr Ansatz mit dem frei schwebend aufgespannten Graphen sei demgegenüber wesentlich effizienter – um den Faktor 1000, schreiben die Wissenschaftler.

Die Graphenbänder lassen sich mit verschiedenen in der Forschung etablierten Verfahren vergleichsweise einfach produzieren, so dass Young Duck Kim und Kollegen bereits Vorrichtungen mit mehreren parallel angeordneten Graphenbändern herstellen konnten. Nun wollen sie die Materialeigenschaften des Graphenglühdrahts weiter erforschen, etwa wie schnell sich die Lichtquelle an- und abschalten lässt. Auch ihre Haltbarkeit im Dauereinsatz dürfte noch eine offene Frage darstellen.

Für die Zukunft haben den Wissenschaftlern bereits eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten im Blick. So könnten die Minileuchten aus Graphen zum Beispiel in Chips zum Einsatz kommen, die Information mit Hilfe von Licht statt elektrischem Strom verarbeiten. Möglicherweise lassen sich damit auch Displays realisieren, die leicht, biegsam und transparent sind. Jeder Bildpunkt würde dann beispielsweise durch eine Minileuchte aus Graphen gebildet. Sollte sich jedoch herausstellen, dass die frei schwebende Graphenbrücke mit anderen Methoden der Nanolichterzeugung nicht mithalten kann, ließe sie sich vielleicht immer noch zur Wärmequelle umfunktionieren, die chemische Proben in Sekundenbruchteilen auf über 2000 Grad und mehr erhitze, so die Forscher.

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