Więcej światła z grafenem
Opublikowano: 12 lutego 2016

Od wielu tysiącleci człowiek szukał źródeł światła, które rozświetlałoby miejsca przebywania i zamieszkania. Kiedy ludzie pierwotni nauczyli się wykorzystywać ogień nie tylko do ogrzewania, ale i do oświetlania jaskiń, ich dzienna aktywność wydłużyła się o kilka godzin, ułatwiając funkcjonowanie.

Ogień był źródłem światła przez tysiące lat, najpierw w postaci pochodni, a potem świec czy w końcu lamp naftowych. Zmiany pojawiły się wraz z nastaniem ery przemysłowej, w której potrzeba oświetlenia fabryk czy rozrastających się miast spowodowała, że zostały stworzone nowe rozwiązania technologiczne w dziedzinie oświetlenia.

Ewolucja oświetlenia

Ważnym impulsem do rozwoju tej dziedziny było odkrycie elektryczności wykorzystanej do zasilania nowo opracowanych źródeł światła. Jednymi z pierwszych lamp opartych na tym odkryciu były lampy łukowe zaprezentowane przez Humphry Davy’ego na początku XIX wieku. Do ich zasilania używano baterii, które jednak szybko się rozładowywały, co sprawiało, że lampy świeciły bardzo krótko.

W tym samym czasie intensywne badania teoretyczne, prowadzone przez takich naukowców jak Ohm, Kirchhoff czy Maxwell, przełożyły się na praktykę. Już w roku 1850 Joseph Wilson Swan, w 1854 – Heinrich Göbel, a 1879 – Thomas Alva Edison zaprezentowali swoje żarówki zasilane prądem. Posiadały one żarniki węglowe (u Swana był to zwęglony papier, u Göbela zwęglony bambus). Edison oparł się na rozwiązaniu Swana ulepszając jedynie konstrukcję samej żarówki), ale brak możliwości skutecznego usunięcia powietrza z układu, w którym znajdował się żarnik, sprawiał, że ulegał on szybkiemu przepaleniu, przez co trwałość tych żarówek była wciąż niezadowalająca.

Niedługo potem udało się uzyskać dużo niższe ciśnienie w bańce żarówki oraz zastąpić węgiel wolframem, który przez wyższą temperaturę parowania był znacznie trwalszy. Żarówki tego typu królowały jeszcze do końca XX wieku.

Coraz mniejsze zużycie energii

Już w latach 30. tamtego stulecia zaczęły się prace nad nowym typem oświetlenia, w którym zastosowane zostały luminofory (związki chemiczne emitujące światło pod wpływem wzbudzenia np. promieniowaniem ultrafioletowym UV) oraz emisja światła UV przez pary rtęci. Takie źródła światła nazwane świetlówkami (lub lampami fluorescencyjnymi), w których światło uzyskane było z luminoforów, charakteryzowały się znacznie niższym zużyciem energii, ponieważ inaczej niż w przypadku żarników wykorzystujących inkandescencję (emitowanie światła przez rozgrzane do wysokiej temperatury cząstki), nie traciły włożonej energii na wypromieniowanie ciepła.

Świetlówki stały się na tyle energooszczędne i popularne, że Komisja Europejska, w celu ograniczenia zużycia energii przez gospodarstwa domowe, zaleciła wycofanie tradycyjnych żarówek z rynku europejskiego.

W tym samym czasie dynamicznie zaczął się rozwijać rynek nowego typu oświetlenia. Pojawiły się komercyjne żarówki LED (ang. light emitting diode), które, przez sumowanie barw światła zielono-pomarańczowego z luminoforu ze światłem niebieskim z diody wzbudzającej, dawały ciepłe lub zimne (w zależności od stosunku intensywności światła niebieskiego do zielono-pomarańczowego) światło białe.

Stary węgiel a wielkie odkrycie

Kiedy już wydawało się, że opracowywanie nowych źródeł światła opierać się będzie tylko na syntezie i badaniu nowego typu luminoforów (z emisją światła o odpowiedniej barwie, stabilnych chemicznie i termicznie, tanich i opartych na łatwo dostępnych surowcach), w laboratorium Zakładu Spektroskopii Stanów Wzbudzonych, Instytutu Niskich Temperatur i Badań Strukturalnych Polskiej Akademii Nauk we Wrocławiu, w grupie prof. dr. hab. Wiesława Stręka opracowano nowe źródło światła, którego działanie opiera się na materiale, od którego wszystko się zaczęło – węglu.

Nie jest to jednak węgiel, który był badany i używany przez wynalazców z XIX wieku, a jedna z jego alotropowych odmian – grafen – której istnienie opisano w teorii już w latach 80. ubiegłego wieku, ale dopiero w 2004 roku uczonym z uniwersytetu w Manchesterze, Andre Geimowi i Konstantinowi Novoselovowi, udało się ją otrzymać. Ze względu na swoją strukturę (dwuwymiarową sieć atomów węgla) ma niezwykłe właściwości, których wykorzystanie może znacząco rozwinąć wiele dziedzin nauki i techniki.

Badania nad grafenem

Grafen jako źródło światła stał się obiektem badań wielu grup badawczych szukających możliwości aplikacyjnych dla tego niezwykłego materiału. W 2015 roku Y.D. Kim ze swoimi współpracownikami opisał źródło światła, w którym na krzemowym chipie umieszczono warstwę grafenu emitującą światło po przyłożeniu napięcia elektrycznego. Pod wpływem przepływającego prądu grafen rozgrzewał się do temperatur 2000-2900 K (czyli podobnie jak w inkadescencyjnych źródłach światła).

Przewaga proponowanego rozwiązania nad typowymi źródłami wykorzystującymi żarzenie wynika z pewnej cechy grafenu – w wysokich temperaturach spada jego przewodność cieplna, co zapobiega niszczeniu podłoża krzemowego.

W tym samym czasie co działania Y.D. Kima, grupa profesora Stręka zaproponowała alternatywne rozwiązanie, w którym jako element aktywny wykorzystano ceramikę grafenową. Źródło światła białego zaproponowane w Instytucie we Wrocławiu zasadniczo różniło się od rozwiązania przedstawionego przez grupę Y.D. Kima.

Po pierwsze, zastosowana została ceramika, która składała się z kilkudziesięciu tysięcy warstw grafenu (a nie z jednej). Po drugie, źródłem inicjującym świecenie był nie prąd płynący przez grafen, a skupione na powierzchni ceramiki światło podczerwone. Po trzecie, temperatura próbki zmierzona podczas generacji światła wynosiła mniej niż 900 K, co wykluczyło sposób generacji światła poprzez inkandescencję.

Na czym to polega?

Zjawisko generacji światła białego na grafenie ma charakter progowy, a intensywność emisji jest potęgowo zależna od mocy wzbudzenia optycznego. Zależność ta ma charakter eksponencjalny, a intensywność emisji dodatkowo silnie zależy od ciśnienia (wysokości próżni) czy rodzaju gazów w ampule (powietrze, azot, argon) zawierającej materiał grafenowy. Poprzez regulację gęstości optycznej wzbudzenia oraz ciśnienia gazów wewnątrz ampuły można w łatwy sposób regulować intensywność świecenia.

Szerokopasmowa emisja światła białego z grafenu pokrywa cały zakres widzialny promieniowania elektromagnetycznego, dzięki czemu odpowiada spektrum światła słonecznego, do którego uzyskania dąży tak wiele grup badawczych. Dodatkowo źródło światła oparte na grafenie posiada wysoki współczynnik oddawania barw i wysoką temperaturę barwową. Układ charakteryzuje się bardzo dobrą wydajnością kwantową (wysokim stosunkiem liczby fotonów wyemitowanych w zakresie widzialnym do liczby fotonów zaabsorbowanych w podczerwieni), co w połączeniu z niskim zużyciem energii podczerwonej diody laserowej przekłada się na energooszczędność całego źródła światła.

Generacja światła białego następuje w chwili oświetlenia elementu aktywnego (grafenu), umieszczonego w próżni w szklanej ampule, skupioną wiązką półprzewodnikowego lasera podczerwonego . Grafen emituje intensywne szerokopasmowe (od 400 do 900 nm z maksimum przy 650 nm) białe światło o ciepłej temperaturze barwowej. Prosta budowa układu emitującego światło białe pozwala na ograniczenie kosztów produkcji i etapów pośrednich w procesie wytwarzania.

Dr inż. Paweł Głuchowski

www.ses.int.pan.wroc.pl

Wszystkie zalety prezentowanego prototypu (przedstawione jako: Źródło światła białego oparte na materiałach grafenowych autorstwa zespołu naukowo-badawczego w składzie: W. Stręk, B. Cichy, Ł. Marciniak, P. Głuchowski, M. Łukaszewicz, R. Tomala, D. Hreniak) zostały docenione przez jury brukselskich targów innowacji Brussels Innova 2015 i wyróżnione przez nie złotym medalem. Wyniki prowadzonych badań zostały zgłoszone do krajowej ochrony patentowej i przewiduje się, że będą wspólnie komercjalizowane z firmami zajmującymi się technologiami opartymi na grafenie.