最简单的人工光源 能集成到芯片表面

近日，一个由美国哥伦比亚大学，韩国首尔国立大学（SNU）以及韩国标准与科学研究院（KRISS）的研究人员组成的联合小组报告称他们首次实现了石墨烯发光（石墨烯仅有一个原子厚度，是碳的理想晶体形式）——做出了世界上最薄的电灯泡。研究组将小片石墨烯连接到金属电极上，使其悬空于基底材料上方并加载一定的电流使其加热。

世界上最薄的灯泡

韩国国立大学物理与天文学系教授，这一研究的参与者Yun Daniel Park指出，实际上这项研究所使用的材料与当年爱迪生发明白炽灯泡时使用的材料是相同的：“爱迪生最初尝试使用碳材料作为他实验中的白炽灯的灯丝，而现在我们又回到了相同的元素上。但有所不同的是我们使用的是碳的纯净态形式——石墨烯材料，并且达到了它的厚度极限——一个原子厚度。”这一研究组的主要负责人之一，美国哥伦比亚大学机械工程系教授詹姆斯·霍恩（James Hone）表示：“可以说我们制造出了世界上最薄的灯泡。这种新型‘宽带’光源可以被集成到硅芯片上，从而为实现原子厚度，可折叠且透明背景显示技术以及基于石墨烯的硅芯片光通信技术铺平了道路。”

Young Duck Kim和James Hone教授

在芯片表面的微小结构中实现发光可以最终通往完全整合的“光子电路”，从而用光来代替目前在半导体电路中使用的电流的角色。此前研究人员已经尝试过很多不同的技术方案，但从未能够成功地将最为古老也最为简单的人工光源——白炽灯泡集成到芯片表面。通过测量石墨烯材料光源的光谱，将石墨烯微细丝附加在金属电极上，然后悬挂在硅衬底的方式，电流通过灯丝并致其加热至超过2500℃（4500℉），足以使其发出明亮的可见光。

研究人员用石墨烯制作出世界上最薄的片上型光源，这项研究的第一作者，哥伦比亚大学霍恩教授小组的博士后Young Duck Kim表示：“从这一单原子厚度的石墨烯材料发出的可见光强度很高，甚至不需要使用任何放大设备，直接用裸眼就能看到。”

这种可折叠的柔性光源还符合光通信的要求

有趣的是，该光源的光谱显示其会在特定波段表现出峰值，研究组发现这是因为从石墨烯材料直接发出的光线与穿透石墨烯材料并被硅芯片表面反射的光线之间出现了干涉现象。金指出：“之所以会如此，是因为石墨烯材料是透明的，这与任何传统上作为灯丝的材料都不同，这样我们就可以通过调节石墨烯材料与基底材料之间的 间距来调节发射光谱类型。”

从悬浮石墨烯材料发出可见光的光学（左）和显微（右）图像

而之所以石墨烯能够实现如此高温却不会导致周围材料或金属电极的熔化则是由于其具有的另外一项有趣性质——随着石墨烯材料的升温，它会越来越成为热的不良导体。这就意味着它所具有的高温将被局限在一个非常小的“热点”区域内。

KRISS 高级研究员Myung-Ho Bae表示：：“在最高的温度下，电子温度远高于石墨烯晶格的声振动模式，因此只需要较少的能量便能实现可见光波段发光。这些独特的热性质使我们可以将石墨烯材料加热到相当于太阳表面一半的温度并实现比传统灯丝材料高出1000倍的发光效率。”与此同时，研究组还展示了这项技术未来的可升级性——他们实现了基于大规模化学气相沉积（CVD）的石墨烯发光体。

目前，该研究组正开展进一步研究工作以期提升这项技术的表现。比如这种光源可以实现多么迅速的开关操作以符合光通信的要求？另外也需要开发相应的技术使其能够被整合到可折叠的基底材料上去。霍恩表示：“对于开发这种材料的各项用途，我们才刚刚开了个头。比如这项技术可以被用来开发微型加热板，它可以瞬间加热到数千摄氏度以帮助进行高温化学反应或催化作用的研究。”