Delftse onderzoekers creëren bij toeval nieuwe, energie-efficiënte mechanische pixels
Onderzoekers van de TU Delft en Graphenea in Spanje hebben een nieuwe manier ontdekt om mechanische pixels te maken met behulp van minuscule ballonachtige structuren. Deze pixels zenden zelf geen licht uit maar zijn zichtbaar in zonlicht en kunnen mogelijk worden gebruikt in energie-efficiënte kleurendisplays voor bijvoorbeeld e-readers en smartwatches.
De betreffende pixels zijn cirkelvormige putjes met een doorsnede van ongeveer 13 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: waar werden deze kleurverschillen door veroorzaakt?
Veranderende kleuren
Vervolgens observeerden de onderzoekers de met membranen bedekte holtes over een langere periode. Dr. Samer Houri van de TU Delft, die het onderzoek leidde: “We namen Newton-ringen waar 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.
Santiago 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 echter grafeen gebruiken, dat over buitengewone mechanische eigenschappen beschikt,” vervolgt Santiago, “dan kan een IMOD de prestaties van het scherm drastische verbeteren – energieverbruik, responstijd van pixels, uitvalpercentages – en tegelijkertijd elektrische integratie en zelfs flexibele schermen mogelijk maken.” De onderzoekers hopen een prototypescherm klaar te hebben voor de Mobile World Conference 2017 in Barcelona.
De auteurs van het betreffende onderzoeksartikel zijn Santiago J. Cartamil-Bueno, prof. Peter G. Steeneken, prof. Herre van der Zant en dr. Samer Houri van de TU Delft, en Alba Centeno en Amaia Zurutuza, respectievelijk onderzoeker en wetenschappelijk directeur van Graphenea. Het onderzoek werd gezamenlijk uitgevoerd door onderzoekers van de TU Delft (Nederland) en Graphenea (Spanje) in het kader van het Europese project Graphene Flagship.
Het onderzoek is onlangs gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nano Letters.
Dit artikel is een ingezonden bericht en valt buiten de verantwoordelijkheid van de redactie.