De betreffende pixels zijn cirkelvormige putjes met een doorsnede van ongeveer dertien micrometer die zijn aangebracht in silicium en bedekt met een dubbele laag grafeen van twee atomen dik. De grafeenmembranen sluiten lucht op in de holtes. TU Delft-promovendus Santiago Cartamil-Bueno voerde het experimentele werk uit en nam als eerste de kleurverandering in de kleine instrumenten waar.
“In eerste instantie was ik teleurgesteld, omdat ik onderzoek deed naar deze instrumenten om te zien of ze dienst konden doen als sensor”, vertelt Cartamil-Bueno. “Toen ik de kleuren onder de microscoop zag, realiseerde ik mij dat ze niet homogeen waren. En dat is niet goed als je een sensor probeert te maken.” De onderzoekers waren niet alleen teleurgesteld maar ook verbaasd: wat veroorzaakte deze kleurverschillen?
Het onderzoek werd gezamenlijk uitgevoerd door onderzoekers van de TU Delft en het bedrijf Graphenea uit Spanje, in het kader van het Europese project Graphene Flagship. Het is vorige maand in het wetenschappelijk tijdschrift Nano Letter gepubliceerd.
Veranderende kleuren
De onderzoekers observeerden de met membranen bedekte holtes over een langere periode. Dr. Samer Houri van de TU Delft, die het onderzoek leidde: “We namen zogenoemde Newtonringen waar (ringen die ontstaan door het samenspel van licht tussen twee oppervlakten – red.) en zagen dat de kleuren ervan in de loop van de tijd veranderden.” Het werd al snel duidelijk dat de instrumenten zich gedroegen als minuscule ballonnetjes. In sommige zorgden drukverschillen tussen de holte en de buitenatmosfeer ervoor dat de grafeenmembraan omlaag werd gedrukt, in de richting van de bodem van de holte. In andere zorgde een hogere druk binnenin ervoor dat de membraan omhoog werd geduwd.
De onderzoekers beseften dat de kleurverandering veroorzaakt werd door interferentie van lichtgolven die worden weerkaatst door de bodem van de holte en de membraan daarboven. Afhankelijk van de positie van de membraan interfereren deze weerkaatste golven positief of negatief in de zin dat ze verschillende delen van het spectrum van wit licht toevoegen of uitwissen. Wanneer de membranen zich dichter bij het silicium bevinden, lijken ze blauw. Wanneer de membranen omhoog worden geduwd, van het silicium af, lijken ze rood.
Manipulatie van het kleureffect
Door een drukverschil toe te passen op de grafeenmembranen kan de waargenomen kleur van het grafeen continu veranderd worden. Dit effect kan worden gebruikt om gekleurde pixels in e-readers en andere energiezuinige schermen te creëren. De onderzoekers werken nu aan een manier om de kleur van de membranen elektrisch te regelen.
Cartamil-Bueno is overtuigd van het belang van zijn werk: “Deze instrumenten bieden een manier om displaytechnologie op basis van interferometric modulation te implementeren.” Interferometric modulation, afgekort IMOD, wordt gebruikt in displays waarvoor maar weinig energie vereist is, zoals die van smartwatches en e-readers.
Momenteel bestaan IMOD-displays uit mechanische pixels gemaakt van silicium. “Als we in plaats daarvan grafeen gebruiken, dat over buitengewone mechanische eigenschappen beschikt,” vervolgt Santiago, “dan kan een IMOD de prestaties van het scherm drastische verbeteren. Denk aan energieverbruik, responstijd van pixels en uitvalpercentages. Tegelijkertijd kan het elektrische integratie en zelfs flexibele schermen mogelijk maken.” De onderzoekers hopen een prototypescherm klaar te hebben voor de Mobile World Conference 2017 in Barcelona.
Impressie van een ‘kuiltje’ van grafeen dat van kleur verandert.
Bron
- Cartamil-Bueno S.J. et al., Colorimetry Technique for Scalable Characterization of Suspended Graphene, Nano Letters (6 oktober 2016), DOI:10.1021/acs.nanolett.6b02416