[Grafena atau graphene merupakan alotrop karbon yang berbentuk lembaran datar tipis di mana setiap atom karbon memiliki ikatan sp2 dan dikemas rapat dalam bentuk kisi kristal seperti sarang lebah. Ia dapat dilihat sebagai sebuah jaring-jaring berskala atom yang terdiri dari atom karbon beserta ikatannya. Nama grafena berasal dari GRAPHITE + -ENE; grafit sendiri terdiri dari banyak lembaran grafena yang ditumpuk secara bersama. Pada tahun 2010 Andre Geim dan Konstantin Novoselov mendapat hadiah Nobel di bidang kimia karena karyanya dalam mengembangkan grafena 2 dimensi.]
Salah satu persyaratan utama teknologi komunikasi optik masa depan adalah sumber cahaya nano yang mampu memancarkan pulsa cahaya ultrafast.
Dalam sebuah studi baru, para periset telah menunjukkan bahwa graphene mungkin merupakan kandidat ideal untuk sumber cahaya semacam itu, dengan menunjukkan perangkat berbasis graphene yang memancarkan pulsa cahaya dengan bandwidth hingga 10 GHz dan durasi pulsa kurang dari 100 foto picosekon (atau 10 miliar pulsa per detik).
Para periset, termasuk penulis utama Young Duck Kim di Universitas Kyung Hee di Korea Selatan, Profesor James Hone di Universitas Columbia, dan rekan penulis mereka, telah menerbitkan sebuah makalah tentang pemancar cahaya berbasis graphene dalam edisi terbaru Nano Letters .
“Graphene adalah bahan penting yang menonjol dalam nanophotonic: karya terbaru telah menunjukkan graphen berbasis photodetectors berkecepatan tinggi dan modulator optik,” kata Kim kepada Phys.org.
“Karya ini menambahkan emisi cahaya menuju kotak peralatan dari perangkat fotonik berbasis graphene ultrafast.”
Sebagai fisikawan menjelaskan, graphene memiliki beberapa sifat yang membuatnya menjadi kandidat yang menjanjikan sebagai pemancar cahaya ultrafast, termasuk stabilitas termal yang tinggi dan kapasitas panas rendah.
Penelitian sebelumnya telah menunjukkan bahwa perangkat berbasis graphene dapat memancarkan cahaya pada rentang inframerah dan sinar tampak, walaupun tantangan untuk mengaktifkan modulasi on-off praktis yang praktis tetap ada. Para periset menjelaskan bahwa, untuk melakukan ini, desain perangkat yang didukung substrat dengan konduksi panas yang efisien diperlukan untuk memungkinkan pendinginan yang cepat antara pulsa.
Untuk mengatasi kebutuhan ini, pada makalah yang baru para periset merangkum graphene dalam boron nitrida heksagonal (hBN). Mereka menunjukkan bahwa enkapsulasi memungkinkan graphene mencapai suhu yang cukup tinggi untuk memancarkan cahaya terang dalam jangkauan inframerah yang terlihat dan dekat, dengan stabilitas yang baik (daya tahan perangkat minimal minimal 4 tahun), dan pendinginan cepat.
Akibatnya, perangkat menghasilkan pulsa cahaya ultrafast dengan durasi sesingkat 90 picosecond dan tingkat modulasi yang beberapa kali lipat lebih cepat daripada pemancar termal konvensional.
Fisikawan menjelaskan bahwa kecepatan tinggi kemungkinan terjadi karena ada dua jenis fonon (optik dan akustik) yang berbeda, dan elektron dalam graphene sangat digabungkan ke fonon optik namun digabungkan dengan lemah ke fonon akustik.
Karya terbaru lainnya telah menunjukkan bahwa elektron dan fonon optik membentuk mode hibrid pada antarmuka graphene-hBN yang dikenal sebagai plasmon-phonon polaritons, yang memberikan perpindahan panas di lapangan yang sangat efisien.
Bersama-sama, kopling phonon akustik yang lemah dan relaksasi elektronik langsung ke hBN memungkinkan pendinginan pada kecepatan yang jauh lebih cepat daripada yang diperlukan untuk mentransfer panas dari sistem dengan konduksi, yang memungkinkan kecepatan modulasi tinggi.
Para periset berharap bahwa pemancar sinar graphene ultrafast memiliki aplikasi potensial di luar komunikasi optik 100 GHz, memperluas spektroskopi on-chip, photodetectors, dan plasmonics.
Perangkat mungkin juga berguna sebagai pemanas ultrafast untuk mempelajari fenomena seperti reaksi kimia dan transisi fasa. Sebagai langkah selanjutnya, para periset berencana untuk lebih menyempurnakan sifat pemancar cahaya perangkat.
“Kami berencana untuk mendorong kecepatan dan efisiensi perangkat ini,” kata Hone.
“Perhitungan kami menunjukkan bahwa kecepatan dasar perangkat ini harus melebihi 100 GHz. Saat ini efisiensi energi rendah, namun ada banyak teknik yang dapat digunakan untuk meningkatkan emisi cahaya dan mengurangi aliran panas untuk meningkatkan efisiensi.”
