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石墨烯焦耳熱發光,國防科大打造史上最薄電燈泡

第一作者:羅芳、範延松
通訊作者:朱夢劍、徐威
通訊單位:國防科技大學
 
研究亮點:
1. 利用石墨烯焦耳熱發光,研制出了有史以來最薄的厚度隻有0.34納米的電燈泡。
2. 利用形成局域熱點,實現最高溫度達到2100 K,提高發光效率。
3. 通過六方氮化硼和三氧化二鋁薄膜包覆,有效防止石墨烯高溫氧化,首次實現了石墨烯器件在空氣條件下的穩定發光。
4. 通過改變器件中介質的折射率和厚度詳細探究石墨烯發光光譜調控規律。
 
研究背景
140年前,托馬斯·愛迪生用竹炭作為燈絲發明了世界上首個電燈泡,結束了蠟燭和油燈時代,人類從此進入了“光明時代”。15年前,曼徹斯特大學的安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖諾夫用膠帶剝離出了第一片石墨烯:由單層碳原子構成的完美晶體,人類從此進入了“二維時代”。
 
片上集成高速光通信和光互連
可集成的電驅動超快光源是矽基光子學發展和應用的關鍵。半導體矽是一種間接帶隙半導體,發光效率很低;III-V族化合物直接帶隙半導體又面臨着難以和矽基工藝集成的挑戰。石墨烯焦耳熱光源有望解決這一難題:由于石墨烯具有超高的載流子遷移率和熱導率以及極小的熱容,其熱電子的弛豫時間僅為皮秒量級,可以實現100 GHz的高速光通信和光互連,而且石墨烯可以通過範德華力和矽基襯底進行高度集成。
 
微觀尺度檢驗普朗克輻射定律
一直以來,物理學家都假設普朗克輻射定律适用于宇宙中的所有物體。但近年來有實驗表明在亞波長極限條件下,也許普朗克輻射定律并不适用。微觀尺度檢驗普朗克輻射定律的關鍵和難點在于如何制備納米尺度的熱輻射源,并對其進行調控。石墨烯是第一種真正意義上的二維材料,其溫度可以通過焦耳熱控制,其厚度僅有0.34納米,遠小于熱輻射波長,因此由真空隔開的兩層石墨烯結構将是理解微觀尺度下普朗克輻射定律的完美實驗系統。
 
成果簡介
有鑒于此,國防科技大學前沿交叉學科學院的秦石喬教授和朱夢劍博士團隊,與諾貝爾物理獎得主康斯坦丁·諾沃肖諾夫教授團隊合作,利用石墨烯研制出了有史以來最薄的電燈泡,厚度隻有0.34納米,僅為頭發絲直徑的三十萬分之一。
圖1. 石墨烯電燈泡
 
要點1:原子層級高真空封裝“蝴蝶結”形石墨烯
将石墨烯置于矽片襯底上,其電阻為數千歐姆,當有電流通過時會産生焦耳熱,并将其加熱至超過2000 K(1600 oC),從而發出非常明亮、肉眼可見的光。為了解決石墨烯高溫下(700 K左右)在空氣中容易氧化的難題,研究人員通過六方氮化硼将石墨烯上下包覆的方式,對石墨烯進行原子層級的高真空封裝,隔絕空氣,從而實現了石墨烯在空氣中的穩定發光。為了進一步提高發光效率和降低工作電壓,研究人員通過選擇性刻蝕技術制備了“蝴蝶結”形狀的石墨烯條帶結構,實驗測得在結中心處晶格溫度最高,并形成局域熱點,最高溫度可以達到2100 K,足以發出可見光。
圖2. 六方氮化硼封裝的石墨烯“蝴蝶結”結構在空氣中穩定地發光
 
要點2:改變介質折射率和厚度有效調節石墨烯放光光譜
石墨烯優異的導電性質和熱穩定性使其可以承受極大的電流密度~108 A/cm2(比金屬銅高出兩個數量級),并且其晶格結構在溫度超過3000 K時依然能保持完好而不會被燒壞,因此是焦耳熱發光材料的理想選擇。此外,石墨烯在室溫下具有非常好的導熱能力,其熱導率可以達到2000 W/(m·K),但是在高溫下由于Umklapp聲子-聲子散射的作用,石墨烯的熱導率顯著降低(1000 K時<50 W/(m·K)),因此電流經過石墨烯時産生的焦耳熱無法有效地傳導出去,而被局域在石墨烯條帶的中心位置,并通過電子-聲子相互作用加熱石墨烯晶格,最終導緻其溫度迅速升高到2000 K以上,從而發出非常明亮、肉眼可見的光。
 
光譜測量發現,石墨烯發出的光中心波長固定在720 nm左右,幾乎不随偏壓和溫度而變化,明顯偏離了經典的灰體輻射普朗克定律和韋恩位移定律。國防科技大學前沿交叉學科學院的徐威博士對這一現象進行了細緻的計算和分析後發現,和傳統的燈絲不同,由于單層石墨烯對光的透過率為97.7%,幾乎是透明的,因此石墨烯發出的光在由氮化硼/石墨烯/氮化硼/二氧化矽/矽構成的光子微腔中會發生幹涉和諧振,從而決定了發光光譜。這一結果表明,石墨烯的發光光譜可以通過改變器件中介質的折射率和厚度來進行有效的調節。
圖3. 石墨烯發光光譜測量與分析
 
要點3:厘米級單層單晶石墨烯實現梯度發光
研究人員通過化學氣相沉積法制備了厘米級别的單層單晶石墨烯,并在此基礎上實現了4×4的石墨烯發光陣列器件。通過控制偏壓和器件尺寸,可以有效控制石墨烯局域熱點的溫度,從而調節其發光強度,實現梯度發光。這一技術有望應用于高分辨率的柔性顯示和成像領域。
圖4. 4×4石墨烯發光陣列器件
 
小結
石墨烯隻有一個碳原子層厚度,是完美的二維晶體材料,它可以承載高達10A/cm2的大電流密度,并且在溫度超過3000 K時依然能夠保持穩定,是高性能納米輻射光源的理想選擇。研究人員利用六方氮化硼和三氧化二鋁薄膜包覆石墨烯,分别實現了石墨烯在空氣中的焦耳熱發光;通過制備特殊的局域微納結構,大大增強了石墨烯的輻射效率,使其發出了明亮的、肉眼可見的光;詳細研究了光子微腔和金屬表面等離激元對石墨烯輻射光譜的調控規律。這一成果有望應用于片上集成光子學和高性能顯示等領域。
 
參考文獻
Luo F, Fan Y, Peng G, etal. Graphene Thermal Emitter with Enhanced Joule Heating and Localized LightEmission in Air. ACS Photonics, 2019.
DOI:10.1021/acsphotonics.9b00667
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsphotonics.9b00667
 
研究團隊
該工作由國防科技大學秦石喬教授和朱夢劍博士牽頭設計,在曼徹斯特大學諾沃肖諾夫教授,中科院金屬所任文才研究員、韓拯研究員,北京大學葉堉研究員,廈門大學張學骜教授以及中南大學黃寒教授等合作下完成,得到了國家重點研發計劃量子專項、國家自然科學基金委和國防科技大學科研計劃等項目經費的大力支持。
圖5. 研究團隊:從左至右為秦石喬教授、諾沃肖諾夫教授和朱夢劍博士
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