Zum ersten Mal konnte Elektrolumineszenz in einem metallähnlichen Material dank der Verwendung von hochwertigem Graphen beobachtet werden.
Leuchtdioden (LEDs) auf Halbleiterbasis haben den Bereich der Allgemeinbeleuchtung revolutioniert, indem sie den Stromverbrauch um das Fünffache reduziert haben. Sie haben nach und nach die Glühbirnen verdrängt, die Licht durch Wärmestrahlung eines Metallfadens erzeugen.
Künstlerische Darstellung einer elektrolumineszenten Diode (LED) auf Graphen-Basis mit Bornitrid.
© LPENS
Zwischen diesen leitenden Metallen und den Halbleitern der LEDs befindet sich Graphen, ein zweidimensionales halbmetallisches Material, das man als "Zwischenstufe" bezeichnen könnte, da es Eigenschaften beider vorherigen Materialien aufweist. Keine Überraschung also, dass es beispielsweise unter hoher Spannung eine gut dokumentierte Glühwirkung zeigt (im sichtbaren und nahen Infrarotbereich).
Im Jahr 2018 deuteten Messungen der elektrischen Stromschwankungen darauf hin, dass die Elektronen in hochwertigem Graphen einen Nichtgleichgewichtszustand erreichen können, der die Lichtemission durch Elektrolumineszenz begünstigt. Diese überraschende Vorhersage für ein Material ohne Bandlücke bedurfte jedoch einer experimentellen Bestätigung.
In einem Artikel, der in der Zeitschrift
Nature veröffentlicht wurde und das Ergebnis einer französischen Zusammenarbeit ist, demonstriert eine Gruppe französischer Forscher zum ersten Mal, dass Graphen unter bestimmten Bedingungen über seine natürliche Glühwirkung hinaus in einen Zustand der Elektrolumineszenz eintreten kann. Diese Emission (im mittleren Infrarotbereich) bei einer Wellenlänge von 6,5 µm ist möglich, wenn der Graphenkristall besonders rein und frei von Defekten ist, während er durch eine Matrix aus hexagonalem Bornitrid vor äußeren physikalisch-chemischen Einflüssen geschützt ist.
Diese Entdeckung wurde von einer zweiten Überraschung begleitet: In diesem Elektrolumineszenz-Regime von Graphen beobachteten die Forscher eine außergewöhnliche Steigerung der Effizienz des elektromagnetischen Nahfeldenergietransfers innerhalb des Graphen/Bornitrid-Stapels.
Dank der Infrarot-Pyrometrie – einer Technik, die häufig zur Bestimmung des Wärmeverlusts von Gebäuden mit einer Infrarotkamera eingesetzt wird – konnten die Forscher zeigen, dass die Elektronen im Graphen den Großteil der in das Gerät eingespeisten elektrischen Leistung über spezifische elementare Anregungen des umhüllenden Materials (hyperbolische Phonon-Polaritonen von Bornitrid) an das Substrat übertragen.
Bislang galt dieser Strahlungstransfermechanismus, obwohl in Halbleiter-Leuchtdioden bekannt, aufgrund seiner sehr geringen Effizienz als nebensächliches Phänomen. Hier wird er zum dominierenden Energietransfermechanismus (bis zu 75%).
Schließlich zeigte das Konsortium, dass dieser Energietransfer entscheidend von der kristallinen Qualität der Graphen-Umhüllung abhängt. Tatsächlich kann durch die Verwendung von Bornitrid, das über eine Polymerkeramisierungsmethode hergestellt wurde, der elektromagnetische Nahfeldtransfer unterbrochen werden, ohne die elektrischen Eigenschaften des Systems zu verändern.
Die Elektrolumineszenz von Graphen (a) und der elektromagnetische Nahfeldtransfer (b) in seiner Umhüllung (Bornitrid) sind zwei Seiten desselben Mechanismus: Unter hoher Spannung führt der schnelle Potentialabfall im Kanal zur Injektion von Elektronen in das Leitungsband durch Tunneleffekt (1), die nach der Intraband-Relaxation (2) eine elektromagnetische Anregung durch einen Interband-Übergang (3) erzeugen. Für Anregungen mit großer Wellenlänge (a) wird ein kollektiver Licht-Materie-Modus der Struktur angeregt (4), der über einen Streuer oder einen Oberflächendefekt in den freien Raum entweichen kann (5).
(b) Umgekehrt führt die Anregung bei kurzen Wellenlängen zu einer lokalisierten Erwärmung um das Graphen (4'), die durch Wärmeleitung im Bornitrid (5') das Substrat erwärmt, dessen Glühen dann im mittleren Infrarotbereich beobachtet werden kann (6').
© Material from: 'L. Abou-Hamdan, Electroluminescence and Energy Transfer Mediated by Hyperbolic Polaritons, Nature, published 2025, Springer Nature'
Das Ziel der Forscher ist es nun, den halbmetallischen Charakter von Graphen zu nutzen, um Elektrolumineszenz bei beliebigen Wellenlängen zu induzieren. Diese Variabilität würde Graphen deutlich von Halbleitern unterscheiden, deren Emissionswellenlänge durch die Bandlücke begrenzt ist. Langfristig könnte die beispiellose Flexibilität dieser Art von Quelle den Weg für Anwendungen in den Bereichen Optik, Telekommunikation und Elektronik ebnen.
Quelle: CNRS INP