石墨烯焦耳热发光，国防科大打造史上最薄电灯泡

第一作者：罗芳、范延松

通讯作者：朱梦剑、徐威

通讯单位：国防科技大学

 

研究亮点：

1. 利用石墨烯焦耳热发光，研制出了有史以来最薄的厚度只有0.34纳米的电灯泡。

2. 利用形成局域热点，实现最高温度达到2100 K，提高发光效率。

3. 通过六方氮化硼和三氧化二铝薄膜包覆，有效防止石墨烯高温氧化，首次实现了石墨烯器件在空气条件下的稳定发光。

4. 通过改变器件中介质的折射率和厚度详细探究石墨烯发光光谱调控规律。

 

研究背景

140年前，托马斯·爱迪生用竹炭作为灯丝发明了世界上首个电灯泡，结束了蜡烛和油灯时代，人类从此进入了“光明时代”。15年前，曼彻斯特大学的安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖诺夫用胶带剥离出了第一片石墨烯：由单层碳原子构成的完美晶体，人类从此进入了“二维时代”。

 

片上集成高速光通信和光互连

可集成的电驱动超快光源是硅基光子学发展和应用的关键。半导体硅是一种间接带隙半导体，发光效率很低；III-V族化合物直接带隙半导体又面临着难以和硅基工艺集成的挑战。石墨烯焦耳热光源有望解决这一难题：由于石墨烯具有超高的载流子迁移率和热导率以及极小的热容，其热电子的弛豫时间仅为皮秒量级，可以实现100 GHz的高速光通信和光互连，而且石墨烯可以通过范德华力和硅基衬底进行高度集成。

 

微观尺度检验普朗克辐射定律

一直以来，物理学家都假设普朗克辐射定律适用于宇宙中的所有物体。但近年来有实验表明在亚波长极限条件下，也许普朗克辐射定律并不适用。微观尺度检验普朗克辐射定律的关键和难点在于如何制备纳米尺度的热辐射源，并对其进行调控。石墨烯是第一种真正意义上的二维材料，其温度可以通过焦耳热控制，其厚度仅有0.34纳米，远小于热辐射波长，因此由真空隔开的两层石墨烯结构将是理解微观尺度下普朗克辐射定律的完美实验系统。

 

成果简介

有鉴于此，国防科技大学前沿交叉学科学院的秦石乔教授和朱梦剑博士团队，与诺贝尔物理奖得主康斯坦丁·诺沃肖诺夫教授团队合作，利用石墨烯研制出了有史以来最薄的电灯泡，厚度只有0.34纳米，仅为头发丝直径的三十万分之一。

图1. 石墨烯电灯泡

 

要点1：原子层级高真空封装“蝴蝶结”形石墨烯

将石墨烯置于硅片衬底上，其电阻为数千欧姆，当有电流通过时会产生焦耳热，并将其加热至超过2000 K（1600 ^oC），从而发出非常明亮、肉眼可见的光。为了解决石墨烯高温下（700 K左右）在空气中容易氧化的难题，研究人员通过六方氮化硼将石墨烯上下包覆的方式，对石墨烯进行原子层级的高真空封装，隔绝空气，从而实现了石墨烯在空气中的稳定发光。为了进一步提高发光效率和降低工作电压，研究人员通过选择性刻蚀技术制备了“蝴蝶结”形状的石墨烯条带结构，实验测得在结中心处晶格温度最高，并形成局域热点，最高温度可以达到2100 K，足以发出可见光。

图2. 六方氮化硼封装的石墨烯“蝴蝶结”结构在空气中稳定地发光

 

要点2：改变介质折射率和厚度有效调节石墨烯放光光谱

石墨烯优异的导电性质和热稳定性使其可以承受极大的电流密度~10⁸ A/cm²（比金属铜高出两个数量级），并且其晶格结构在温度超过3000 K时依然能保持完好而不会被烧坏，因此是焦耳热发光材料的理想选择。此外，石墨烯在室温下具有非常好的导热能力，其热导率可以达到2000 W/(m·K)，但是在高温下由于Umklapp声子-声子散射的作用，石墨烯的热导率显著降低（1000 K时<50 W/(m·K)），因此电流经过石墨烯时产生的焦耳热无法有效地传导出去，而被局域在石墨烯条带的中心位置，并通过电子-声子相互作用加热石墨烯晶格，最终导致其温度迅速升高到2000 K以上，从而发出非常明亮、肉眼可见的光。

 

光谱测量发现，石墨烯发出的光中心波长固定在720 nm左右，几乎不随偏压和温度而变化，明显偏离了经典的灰体辐射普朗克定律和韦恩位移定律。国防科技大学前沿交叉学科学院的徐威博士对这一现象进行了细致的计算和分析后发现，和传统的灯丝不同，由于单层石墨烯对光的透过率为97.7%，几乎是透明的，因此石墨烯发出的光在由氮化硼/石墨烯/氮化硼/二氧化硅/硅构成的光子微腔中会发生干涉和谐振，从而决定了发光光谱。这一结果表明，石墨烯的发光光谱可以通过改变器件中介质的折射率和厚度来进行有效的调节。

图3. 石墨烯发光光谱测量与分析

 

要点3：厘米级单层单晶石墨烯实现梯度发光

研究人员通过化学气相沉积法制备了厘米级别的单层单晶石墨烯，并在此基础上实现了4×4的石墨烯发光阵列器件。通过控制偏压和器件尺寸，可以有效控制石墨烯局域热点的温度，从而调节其发光强度，实现梯度发光。这一技术有望应用于高分辨率的柔性显示和成像领域。

图4. 4×4石墨烯发光阵列器件

 

小结

石墨烯只有一个碳原子层厚度，是完美的二维晶体材料，它可以承载高达10⁹ A/cm²的大电流密度，并且在温度超过3000 K时依然能够保持稳定，是高性能纳米辐射光源的理想选择。研究人员利用六方氮化硼和三氧化二铝薄膜包覆石墨烯，分别实现了石墨烯在空气中的焦耳热发光；通过制备特殊的局域微纳结构，大大增强了石墨烯的辐射效率，使其发出了明亮的、肉眼可见的光；详细研究了光子微腔和金属表面等离激元对石墨烯辐射光谱的调控规律。这一成果有望应用于片上集成光子学和高性能显示等领域。

 

参考文献

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

 

研究团队

该工作由国防科技大学秦石乔教授和朱梦剑博士牵头设计，在曼彻斯特大学诺沃肖诺夫教授，中科院金属所任文才研究员、韩拯研究员，北京大学叶堉研究员，厦门大学张学骜教授以及中南大学黄寒教授等合作下完成，得到了国家重点研发计划量子专项、国家自然科学基金委和国防科技大学科研计划等项目经费的大力支持。

图5. 研究团队：从左至右为秦石乔教授、诺沃肖诺夫教授和朱梦剑博士

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