鉅大LARGE | 點擊量：449次 | 2022年11月16日
科學(xué)家制成世界最薄燈泡厚度僅一個原子
近日，一個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)合小組報告稱他們首次實現(xiàn)了石墨烯發(fā)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，使其懸空于基底材料上方并加載一定的電流使其加熱。有關(guān)這項研究的論文已經(jīng)刊載于6月15日出版的《自然-納米技術(shù)》雜志上。
這一研究組的主要負(fù)責(zé)人之一，美國哥倫比亞大學(xué)機械工程系教授詹姆斯·霍恩（JamesHone）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訊技術(shù)鋪平了道路?！?/p>
在芯片表面的微小結(jié)構(gòu)中實現(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。原因很簡單，白熾燈泡的燈絲必須具有極高的溫度才能發(fā)光——可以達(dá)到上千攝氏度，只有達(dá)到這樣的溫度下它才能在可見光波段發(fā)光，但芯片結(jié)構(gòu)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?zé)艚z向周圍區(qū)域產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)是極其高效的，這將導(dǎo)致其周圍區(qū)域的迅速升溫，破壞芯片結(jié)構(gòu)，因而在技術(shù)上幾乎無法實現(xiàn)。
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(fā)出明亮的可見光。這項研究的第一作者，哥倫比亞大學(xué)霍恩教授小組的博士后金德勇（音譯：YoungDuckKim）表示：“從這一單原子厚度的石墨烯材料發(fā)出的可見光強度很高，甚至不需要使用任何放大設(shè)備，直接用裸眼就能看到?！?/p>
有趣的是，該光源的光譜顯示其會在特定波段表現(xiàn)出峰值，研究組發(fā)現(xiàn)這是因為從石墨烯材料直接發(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：“之所以會如此，是因為石墨烯材料是透明的，這與任何傳統(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>
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
而之所以石墨烯能夠?qū)崿F(xiàn)如此高溫卻不會導(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有趣性質(zhì)——隨著石墨烯材料的升溫，它會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非常小的“熱點”區(qū)域內(nèi)。
參與這項研究工作的一名韓國標(biāo)準(zhǔn)與科學(xué)研究院高級研究員表示：“在最高的溫度下，電子溫度遠(yuǎn)高于石墨烯晶格的聲振動模式，因此只需要較少的能量便能實現(xiàn)可見光波段發(fā)光。這些獨特的熱性質(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現(xiàn)比傳統(tǒng)燈絲材料高出1000倍的發(fā)光效率?！?/p>
與此同時，研究組還展示了這項技術(shù)未來的可升級性——他們實現(xiàn)了基于大規(guī)模化學(xué)氣相沉積（CVD）的石墨烯發(fā)光體。
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YunDanielPark指出，實際上這項研究所使用的材料與當(dāng)年愛迪生發(fā)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(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(shù)的表現(xiàn)。比如這種光源可以實現(xiàn)多么迅速的開關(guān)操作以符合光通訊的要求？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)這種材料的各項用途，我們才剛剛開了個頭。比如這項技術(shù)可以被用來開發(fā)微型加熱板，它可以瞬間加熱到數(shù)千攝氏度以幫助進行高溫化學(xué)反應(yīng)或催化作用的研究?！?/p>
