最簡單的人工光源 能集成到芯片表面

近日，一個(gè)由美國哥倫比亞大學(xué)，韓國首爾國立大學(xué)（SNU）以及韓國標(biāo)準(zhǔn)與科學(xué)研究院（KRISS）的研究人員組成的聯(lián)合小組報(bào)告稱他們首次實(shí)現(xiàn)了石墨烯發(fā)光（石墨烯僅有一個(gè)原子厚度，是碳的理想晶體形式）——做出了世界上最薄的電燈泡。研究組將小片石墨烯連接到金屬電極上，使其懸空于基底材料上方并加載一定的電流使其加熱。

世界上最薄的燈泡

韓國國立大學(xué)物理與天文學(xué)系教授，這一研究的參與者Yun Daniel Park指出，實(shí)際上這項(xiàng)研究所使用的材料與當(dāng)年愛迪生發(fā)明白熾燈泡時(shí)使用的材料是相同的：“愛迪生最初嘗試使用碳材料作為他實(shí)驗(yàn)中的白熾燈的燈絲，而現(xiàn)在我們又回到了相同的元素上。但有所不同的是我們使用的是碳的純凈態(tài)形式——石墨烯材料，并且達(dá)到了它的厚度極限——一個(gè)原子厚度?！边@一研究組的主要負(fù)責(zé)人之一，美國哥倫比亞大學(xué)機(jī)械工程系教授詹姆斯·霍恩（James Hone）表示：“可以說我們制造出了世界上最薄的燈泡。這種新型‘寬帶’光源可以被集成到硅芯片上，從而為實(shí)現(xiàn)原子厚度，可折疊且透明背景顯示技術(shù)以及基于石墨烯的硅芯片光通信技術(shù)鋪平了道路?！?/p>

Young Duck Kim和James Hone教授

在芯片表面的微小結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)發(fā)光可以最終通往完全整合的“光子電路”，從而用光來代替目前在半導(dǎo)體電路中使用的電流的角色。此前研究人員已經(jīng)嘗試過很多不同的技術(shù)方案，但從未能夠成功地將最為古老也最為簡單的人工光源——白熾燈泡集成到芯片表面。通過測量石墨烯材料光源的光譜，將石墨烯微細(xì)絲附加在金屬電極上，然后懸掛在硅襯底的方式，電流通過燈絲并致其加熱至超過2500℃（4500℉），足以使其發(fā)出明亮的可見光。

研究人員用石墨烯制作出世界上最薄的片上型光源，這項(xiàng)研究的第一作者，哥倫比亞大學(xué)霍恩教授小組的博士后Young Duck Kim表示：“從這一單原子厚度的石墨烯材料發(fā)出的可見光強(qiáng)度很高，甚至不需要使用任何放大設(shè)備，直接用裸眼就能看到?！?/p>

這種可折疊的柔性光源還符合光通信的要求

有趣的是，該光源的光譜顯示其會(huì)在特定波段表現(xiàn)出峰值，研究組發(fā)現(xiàn)這是因?yàn)閺氖┎牧现苯影l(fā)出的光線與穿透石墨烯材料并被硅芯片表面反射的光線之間出現(xiàn)了干涉現(xiàn)象。金指出：“之所以會(huì)如此，是因?yàn)槭┎牧鲜峭该鞯模@與任何傳統(tǒng)上作為燈絲的材料都不同，這樣我們就可以通過調(diào)節(jié)石墨烯材料與基底材料之間的 間距來調(diào)節(jié)發(fā)射光譜類型?！?/p>

從懸浮石墨烯材料發(fā)出可見光的光學(xué)（左）和顯微（右）圖像

而之所以石墨烯能夠?qū)崿F(xiàn)如此高溫卻不會(huì)導(dǎo)致周圍材料或金屬電極的熔化則是由于其具有的另外一項(xiàng)有趣性質(zhì)——隨著石墨烯材料的升溫，它會(huì)越來越成為熱的不良導(dǎo)體。這就意味著它所具有的高溫將被局限在一個(gè)非常小的“熱點(diǎn)”區(qū)域內(nèi)。

KRISS 高級(jí)研究員Myung-Ho Bae表示：：“在最高的溫度下，電子溫度遠(yuǎn)高于石墨烯晶格的聲振動(dòng)模式，因此只需要較少的能量便能實(shí)現(xiàn)可見光波段發(fā)光。這些獨(dú)特的熱性質(zhì)使我們可以將石墨烯材料加熱到相當(dāng)于太陽表面一半的溫度并實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)燈絲材料高出1000倍的發(fā)光效率。”與此同時(shí)，研究組還展示了這項(xiàng)技術(shù)未來的可升級(jí)性——他們實(shí)現(xiàn)了基于大規(guī)?；瘜W(xué)氣相沉積（CVD）的石墨烯發(fā)光體。

目前，該研究組正開展進(jìn)一步研究工作以期提升這項(xiàng)技術(shù)的表現(xiàn)。比如這種光源可以實(shí)現(xiàn)多么迅速的開關(guān)操作以符合光通信的要求？另外也需要開發(fā)相應(yīng)的技術(shù)使其能夠被整合到可折疊的基底材料上去?；舳鞅硎荆骸皩τ陂_發(fā)這種材料的各項(xiàng)用途，我們才剛剛開了個(gè)頭。比如這項(xiàng)技術(shù)可以被用來開發(fā)微型加熱板，它可以瞬間加熱到數(shù)千攝氏度以幫助進(jìn)行高溫化學(xué)反應(yīng)或催化作用的研究。”