北理工課題組在低維偏振熱輻射納米光源方面取得新進(jìn)展
發(fā)布日期:2025-08-26 供稿:前沿交叉科學(xué)院 黃元 攝影:前沿交叉科學(xué)院
編輯:朱倩云 審核:鄭德智 閱讀次數(shù):
光子集成電路在實(shí)現(xiàn)高計(jì)算速率和低功耗方面具有突破性意義,成為替代傳統(tǒng)電子元件、超越摩爾定律的下一代芯片的有力候選技術(shù)。激光器光源是實(shí)現(xiàn)光子集成電路光通信、產(chǎn)生光通信載體的源頭,卻限制了光子集成電路尺寸的進(jìn)一步縮小。隨著納米級(jí)尺寸的二維材料在微納電子技術(shù)領(lǐng)域崛起,有望作為片上光源極大地推動(dòng)這一顛覆性技術(shù)的進(jìn)步。
近日,北京理工大學(xué)集成電路與電子學(xué)院王業(yè)亮教授團(tuán)隊(duì)在片上低維納米光源研究方面取得重要進(jìn)展,在ACS Nano上發(fā)表題為“Electrically-Driven Polarized Nano-Light Sources Based on Suspended Graphene Nanoscrolls”的研究論文。該論文的共同第一作者為博士研究生韓旭、戴贇贇教授和博士研究生謝永志,通訊作者為王業(yè)亮教授、黃元教授和戴贇贇教授,北京理工大學(xué)是該工作的第一單位。
本研究發(fā)展了一種基于石墨烯納米卷制備的高效納米光源,其發(fā)射特性可通過外加電場(chǎng)和器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)控。該納米光源具有寬范圍可調(diào)諧的發(fā)射光譜,覆蓋了從紅外到可見光的波長(zhǎng)范圍。與此同時(shí),石墨烯納米卷光源具有超普朗克輻射效應(yīng),該效應(yīng)源于低維納米結(jié)構(gòu)中的增強(qiáng)吸收。此外,石墨烯納米卷的發(fā)射表現(xiàn)出快速開關(guān)特性(響應(yīng)時(shí)間約為75 ms),在可見光波段的偏振度可達(dá)20%。本研究為石墨烯納米卷發(fā)射特性的探索提供了重要支撐,并對(duì)推動(dòng)片上集成納米光源技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。
1. 石墨烯納米卷光源
石墨烯納米卷是由石墨烯卷曲形成的緊密圓柱狀結(jié)構(gòu)。與平面石墨烯相比,石墨烯納米卷的圓柱幾何結(jié)構(gòu)由于曲率效應(yīng)和卷曲所引入的手性而表現(xiàn)出獨(dú)特的電子與光學(xué)特性。圖1a展示了石墨烯逐步卷曲形成螺旋狀形貌的過程。圖1b給出了石墨烯納米卷與單層石墨烯在不同入射偏振光方向下的吸收效率對(duì)比。圖1c展示了納米光源器件的結(jié)構(gòu)示意圖,其為跨越Si/SiO2襯底刻蝕溝槽的懸空石墨烯納米卷結(jié)構(gòu)。懸空結(jié)構(gòu)有效抑制了襯底引起的阻尼和熱耗散,從而增強(qiáng)了熱輻射。圖1d給出了焦耳加熱的空間分布模擬結(jié)果,顯示溫度在石墨烯納米卷的中心最高,對(duì)應(yīng)于最亮的發(fā)光位點(diǎn)。圖1e展示了一個(gè)懸空石墨烯納米卷陣列掃描電子顯微鏡圖像。通過調(diào)節(jié)不同電極對(duì)之間的偏置電壓,可以調(diào)控單個(gè)石墨烯納米卷內(nèi)的發(fā)光位點(diǎn)數(shù)量與位置(圖1f)。

圖1 一維石墨烯納米卷曲體作為納米光源
2. 石墨烯納米卷的制備與表征
如圖2a所示,石墨烯納米卷的制備通過在石墨烯/襯底表面滴加加熱后的去離子水-乙醇混合溶液實(shí)現(xiàn)。圖2b-c對(duì)比了單層石墨烯與石墨烯納米卷的Raman光譜。圖2d顯示的石墨烯納米卷高度約為156 nm,遠(yuǎn)高于單層石墨烯的厚度(~0.35 nm)。圖2e所示為石墨烯納米卷的透射電鏡圖像及其對(duì)應(yīng)位置的高分辨透射電鏡。

圖2 石墨烯納米卷的制備與表征
3. 超普朗克輻射發(fā)光
當(dāng)在電極上施加源漏電壓時(shí),石墨烯納米卷能夠發(fā)出肉眼可見的明亮且穩(wěn)定的光,如圖3a所示。圖3b給出了校正光路損耗和光譜儀本征效率后的發(fā)射光譜結(jié)果。圖3c給出了在黑暗環(huán)境下拍攝的不同偏置電壓下的石墨烯納米卷輻射發(fā)光的光學(xué)顯微鏡圖像。隨著偏置電壓增大,石墨烯納米卷光源的溫度不斷增加,在9.86 V偏壓時(shí)可達(dá)約2300 K,同時(shí)發(fā)射強(qiáng)度顯著增強(qiáng)(圖3d)。圖3e所示,石墨烯納米卷的發(fā)光光譜隨溫度升高發(fā)生藍(lán)移。石墨烯納米卷發(fā)光表現(xiàn)出超普朗克輻射特性,其輻射強(qiáng)度超過了理論普朗克極限。進(jìn)一步地,考慮全立體角輻射的情況下,石墨烯納米卷的發(fā)射系數(shù)在寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)仍大于1(見圖3f),再次印證其超普朗克輻射效應(yīng)。

圖3 石墨烯納米卷光源的熱輻射特性表征
4. 納米卷發(fā)光的快速開關(guān)特性
圖4a所示,在2秒脈沖下,發(fā)光響應(yīng)的上升時(shí)間約為76 ms,下降時(shí)間約為72 ms。圖4b進(jìn)一步展示了在不同偏壓下連續(xù)5個(gè)脈沖周期內(nèi),器件發(fā)光的高穩(wěn)定性和良好可重復(fù)性,凸顯了該器件在光通信及動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)等應(yīng)用中的潛力。圖4c展示了長(zhǎng)期性能測(cè)試結(jié)果。施加100個(gè)1秒脈沖(脈沖間隔1秒),發(fā)射保持穩(wěn)定且周期性。

圖4 石墨烯納米卷光源的開關(guān)發(fā)光特性
5. 納米光源偏振發(fā)光
石墨烯納米卷表現(xiàn)出明顯的偏振依賴光學(xué)特性。圖5a展示了石墨烯納米卷光源的偏振發(fā)光示意圖。圖5b展示了角度分辨的輻射強(qiáng)度,當(dāng)偏振片垂直于石墨烯納米卷圓柱軸方向時(shí),發(fā)光強(qiáng)度達(dá)到最大;而當(dāng)偏振片平行于圓柱軸方向時(shí),發(fā)光強(qiáng)度最小。圖5c顯示了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的偏振度隨波長(zhǎng)變化的情況:當(dāng)波長(zhǎng)由約0.8 μm減小至0.6 μm時(shí),偏振度由約19%升高至23%。

圖5 石墨烯納米卷光源的偏振發(fā)光特性
總的來說,利用石墨烯納米卷實(shí)現(xiàn)了片上納米光源,實(shí)現(xiàn)了覆蓋從紅外到可見光的寬帶發(fā)射,并構(gòu)建了可用于光子集成電路的陣列化發(fā)射器,以及系統(tǒng)研究了器件發(fā)光的偏振特性。理論分析顯示,石墨烯納米卷的吸收系數(shù)大于1,表明其熱輻射強(qiáng)度超過黑體極限。此外,石墨烯納米卷光源還展現(xiàn)出快速開關(guān)光發(fā)射特性,響應(yīng)時(shí)間約為75 ms,并在100個(gè)周期內(nèi)保持穩(wěn)定操作。石墨烯納米卷具有明顯偏振特性,偏振度約為20%。本工作顯著推進(jìn)了基于石墨烯納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)發(fā)射理解,為開發(fā)高效、偏振可控的納米光源奠定了基礎(chǔ),并為下一代光電子器件中增強(qiáng)光-物質(zhì)相互作用的應(yīng)用提供了新的途徑。
論文詳情:Xu Han, Yun-Yun Dai*, Yong-Zhi Xie, Li-Xin Ge, Tai-Min Miao, Qiang Fu, Tong-Tong Xue, Long-Long Yang, Zhen-Yu Sun, Zhe-Xing Duan, Jia-Hao Yan, Shi-Qi Yang, Xiao-Yue Fan, Jing-Han Zhao, Zi-Hao Guo, Jia-Kai Wang, Zi-Ling Shen, Xia Liu, Gang Wang, Luo-Jun Du, Yu-Nan Gao, Yang Chai, Zhi-Pei Sun, Yuan Huang*, Ye-Liang Wang*. Electrically-Driven Polarized Nano-Light Sources Based on Suspended Graphene Nanoscrolls. ACS Nano (2025).
原文鏈接:https://doi.org/10.1021/acsnano.5c07582
附作者簡(jiǎn)介:
通訊作者:
王業(yè)亮,北京理工大學(xué)教授,國(guó)家級(jí)領(lǐng)軍人才。近年發(fā)展新型外延生長(zhǎng)技術(shù),針對(duì)大功率器件與材料、低功耗超高密度信息存儲(chǔ)等領(lǐng)域的瓶頸,開發(fā)基于新原理的新工藝,在原子尺度上針對(duì)新型電子材料及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建、性能測(cè)量和調(diào)控、器件設(shè)計(jì)和性能測(cè)試、以及應(yīng)用等方面發(fā)展技術(shù)和開展研究。主要研究成果包括在Nature, Nature Materials, Nature Commun., Adv. Mater., Nano Lett., ACS Nano等期刊發(fā)表論文300余篇,英文書籍5個(gè)章節(jié),被引14000余次,其中單篇最高他引1000多次,曾入選“中國(guó)百篇最具影響國(guó)際學(xué)術(shù)論文”。多項(xiàng)工作被Nature及其子刊作為研究亮點(diǎn)報(bào)道,獲得國(guó)際重要學(xué)術(shù)會(huì)議30多次邀請(qǐng)報(bào)告。
黃元,北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院教授,國(guó)家級(jí)青年人才,北京理工大學(xué)特立青年學(xué)者,中國(guó)科學(xué)院青促會(huì)數(shù)理分會(huì)理事,中國(guó)科協(xié)“中國(guó)十大科技新銳人物”。曾獲中國(guó)電子學(xué)會(huì)自然科學(xué)二等獎(jiǎng)、中國(guó)發(fā)現(xiàn)協(xié)會(huì)二等獎(jiǎng)、日內(nèi)瓦國(guó)際發(fā)明博覽會(huì)銀獎(jiǎng)(排名第一)等榮譽(yù)。主要研究領(lǐng)域集中在二維材料制備,表征,物性測(cè)量/調(diào)控,以及相關(guān)交叉科學(xué)等研究方向。以第一/通訊作者在Nature Physics, Nature Communications, Physical Review Letters, ACS Nano, Nano Letters, Advanced Materials等共計(jì)發(fā)表SCI論文170余篇,其中第一作者(含共一)及通訊作者文章70余篇,論文總引用9600余次。
戴贇贇,北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院教授,國(guó)家級(jí)青年人才,主要研究領(lǐng)域集中在新型半導(dǎo)體與納米器件的制備、表征以及光電性質(zhì)等新奇物性研究。共發(fā)表文章40余篇,成果發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊(如Nature Photonics, Advanced Materials, ACS Nano等),論文總引用3400余次。
第一作者:
韓旭,就讀于北京理工大學(xué)集成電路與電子學(xué)院,研究方向?yàn)榧{米光電子學(xué)與激光光電子,導(dǎo)師為王業(yè)亮教授。以第一作者在Advanced Materials、Advanced Optical Materials、ACS Applied Materials and Interfaces等期刊上發(fā)表過文章。曾獲博士生國(guó)家獎(jiǎng)學(xué)金、北京理工大學(xué)優(yōu)秀研究生等。
謝永志,就讀于北京大學(xué)物理學(xué)院,研究方向二維光電功能材料與器件,導(dǎo)師為龔旗煌院士。以第一作者在Physical Review Letter、Physical Review B等期刊上發(fā)表過文章。曾獲北京大學(xué)校長(zhǎng)獎(jiǎng)學(xué)金,北京大學(xué)三好學(xué)生等。
分享到:
