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(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責人之一，美國哥倫比亞大學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。”

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(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，從高溫燈絲向周圍區(qū)域產(chǎn)生的熱量傳導是極其高效的，這將導致其周圍區(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(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。”

而之所以石墨烯能夠?qū)崿F(xiàn)如此高溫卻不會導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。”

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)模化學氣相沉積（CVD）的石墨烯發(fā)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YunDanielPark指出，實際上這項研究所使用的材料與當年愛迪生發(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)相應的技術(shù)使其能夠被整合到可折疊的基底材料上去。霍恩表示：“對于開發(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反應或催化作用的研究。”