一個原子厚度石墨烯首次發光：世界最薄的燈泡

新浪科技訊 北京時間6月17日消息，據物理學家組織網站報導，近日，一個由美國哥倫比亞大學，韓國首爾國立大學（SNU）以及韓國標準與科學研究院（KRISS）的研究人員組成的聯合小組報告稱他們首次實現了石墨烯發光。石墨烯僅有一個原子厚度，是碳的理想晶體形式。研究組再小片石墨烯連接到金屬電極上，使其懸空於基底材料上方並加載一定的電流使其加熱。有關這項研究的論文已經刊載於6月15日出版的《自然-納米技術》雜誌上。

這一研究組的主要負責人之一，美國哥倫比亞大學機械工程系教授詹姆斯·霍恩（James Hone）表示：“可以我們製造出了世界上最薄的燈泡。這種新型‘寬頻’光源可以被整合到硅晶片上，從而為實現原子厚度，可摺疊且透明背景顯示技術以及基於石墨烯的硅晶片光通訊技術鋪平了道路。”

在 晶片表面的微小結構中實現發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體電路中使用的電流的角色。此前研究人員已經嘗試過很多不同 的技術方案，但從未能夠成功地將最為古老也最為簡單的人工光源——白熾燈泡整合到晶片表面。原因很簡單，白熾燈泡的燈絲必須具有極高的溫度才能發光——可 以達到上千攝氏度，只有達到這樣的溫度下它才能在可見光波段發光，但晶片結構中微觀尺度下的金屬絲是無論如何也無法承受這樣的高溫的。除此之外，從高溫燈 絲向周圍區域生的熱量傳導是極其高效的，這將導致其周圍區域的迅速升溫，破壞晶片結構，因而在技術上几乎無法實現。

通過測量石墨烯材料光源的光譜，研究組可以測算出其溫度約為2500攝氏度左右，足以使其發出明亮的可見光。這項研究的第一作者，哥倫比亞大學霍恩教授小組的博士后金德勇（音譯：Young Duck Kim）表示：“從這一單原子厚度的石墨烯材料發出的可見光強度很高，甚至不需要使用任何放大設備，直接用裸眼就能看到。”

有 趣的是，該光源的光譜顯示其會在特定波段表現出峰值，研究組發現這是因為從石墨烯材料直接發出的光線與穿透石墨烯材料並被硅晶片表面反射的光線之間出現了 干涉現象。金指出：“之所以會如此，是因為石墨烯材料是透明的，這與任何傳統上作為燈絲的材料都不同，這樣我們就可以通過調節石墨烯材料與基底材料之間的 間距來調節發射光譜類型。”

而之所以石墨烯能夠實現如此高溫卻不會導致周圍材料或金屬電極的熔化則是由於其具有的另外一項有趣性質——隨石墨烯材料的升溫，它會越來越成為熱的不良導體。這就意味它所具有的高溫將被局限在一個非常小的“熱點”區域內。

參與這項研究工作的一名韓國標準與科學研究院高級研究員表示：“在最高的溫度下，電子溫度遠高於石墨烯晶格的聲振動模式，因此只需要較少的能量便能實現可見光波段發光。這些獨特的熱性質使我們可以將石墨烯材料加熱到相當於太陽表面一半的溫度並實現比傳統燈絲材料高出1000倍的發光效率。”

與此同時，研究組還展示了這項技術未來的可升級性——他們實現了基於大規模化學氣相沉積（CVD）的石墨烯發光體。

韓國國立大學物理與天文學系教授，這一研究的參與者Yun Daniel Park指 出，實際上這項研究所使用的材料與當年愛迪生發明白熾燈泡時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驗中的白熾燈的燈絲，而現在我們又回 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形式——石墨烯材料，並且達到了它的厚度極限——一個原子厚度。”

目 前，該研究組正開展進一步研究工作以期提升這項技術的表現。比如這種光源可以實現多麼迅速的開關操作以符合光通訊的要求？另外也需要開發相應的技術使其能 夠被整合到可摺疊的基底材料上去。霍恩表示：“對於開發這種材料的各項用途，我們才剛剛開了個頭。比如這項技術可以被用來開發微型加熱板，它可以瞬間加熱 到數千攝氏度以幫助進行高溫化學反應或催化作用的研究。”（晨風）