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白熾燈泡變身半導體最尖端技術?!

作為光源,白熾燈一直被視作落後于時代的低端技術,如今卻有了活躍在半導體技術最前沿的可能性。

美國哥倫比亞大學、韓國首爾大學(SNU)、韓國标準與科學研究院(KRISS)日前聯合宣布開發出了全球最薄的白熾燈泡,相關論文已刊登在學術期刊《自然納米技術》(NatureNanotechnology)上。通電後發光的“燈絲”是由碳原子結合而成的二維石墨烯。上述幾家單位開發這種白熾燈泡,是為了将其用作由矽光子等矽半導體制成的光電路的光源。

這種白熾燈泡是在矽芯片上的兩個位置設置SiO2“橋墩”、并在其上的電極間像搭吊橋一樣配置帶狀石墨烯而實現的,橋長為數μm。通電時,石墨烯的溫度會超過2500℃,發光原理跟白熾燈泡一樣。論文第一作者、哥倫比亞大學博士後研究員YoungDuckKim介紹稱,“能以肉眼可見的亮度在可見光波段發光”。

另外,這種白熾燈泡能在相同溫度下改變發光顔色,這是普通白熾燈泡很難實現的。改變SiO2橋墩的高度,就能改變發光顔色。這是因為石墨烯燈絲發出的光一部分被矽芯片反射,與直接發出的光線發生幹涉的結果。Kim指出,“之所以會這樣,是因為石墨烯材料是幾乎透明的”。

以前,研究人員一直認為這種利用熱量來發光的元件不能用于半導體技術。因為數千攝氏度的溫度别說是電路,就連矽基闆也會被熔化掉。

而此次之所以能取得颠覆常識的結果,是因為石墨烯的特殊性質。石墨烯原本就是作為導熱率非常高的材料而為人熟知的。因此很難使石墨烯發熱,即使能使其發熱,熱量也會傳導到外部。但是,據KRISSKRISS高級研究員Myung-HoBae介紹,實際上石墨烯在達到高溫時,原來的特性會發生改變,導熱率會大幅降低。這是因為“高溫時,石墨烯中的電子能量比石墨烯聲振動模式的能量高很多,外部增加的能量不會傳導到周圍,而是用來提高熱量”。

這一特性導緻的結果便是,隻有帶狀石墨烯中央附近的大約1個點會發出超過2500℃的熱量,而不向周圍傳導。

現在,開發小組正在開發通過控制元件中流動的電流來直接改變元件發光的技術。

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