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電驅動石墨烯超快熱電子輻射光源

— 有望為高性能光電子集成芯片提供新思路

Liu Q, Xu W, Li X X, Zhang T Y, Qin C B, Luo F, Zhu Z H, Qin S Q, Zhu M J, Novoselov K S. 2024. Electrically-driven ultrafast out-of-equilibrium light emission from hot electrons in suspended graphene/hBN heterostructures. Int. J. Extrem. Manuf.6015501.

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/acfbc2

撰稿 | 文章作者

隨著大數據和人工智能時代的來臨，采用傳統的集成電路處理巨量的數據已經越發捉襟見肘。半導體晶體管的發展正在逼近其物理極限，光電子集成芯片技術被公認為后摩爾時代最有潛力的信息技術發展路線之一。其中，微納尺度的高性能電致發光器件是光電子集成芯片發展和應用的一個關鍵核心部件。研制具有電驅動、高速直接調制、易于片上集成等優異特性的微納光源一直以來都是光電信息技術領域的重要前沿。

石墨烯具有超高的室溫載流子遷移率和優異的光電性能，并且可以通過二維材料特有的范德華界面和硅基半導體實現異質集成和光電融合，是一種非常有潛力的下一代光電子芯片材料。目前，基于石墨烯的光電探測器速度高達500GHz，石墨烯電光調制器的速度也超過了60GHz。然而，在發光器件方面，由于本征石墨烯的帶隙為零，無法像傳統發光二極管半導體一樣通過載流子帶間復合發光，導致其輻射發光效率極低，從而極大地限制了石墨烯在高性能光電子集成芯片領域的應用突破。

面對這一挑戰，由國防科技大學牽頭的國際合作科研團隊創造性地利用經典的焦耳熱效應和黑體輻射原理，實現了石墨烯在電驅動下的高效、超快發光，研制出了目前國際上綜合性能最優的石墨烯熱電子輻射光源，其等效電子溫度達到2800K，發光波長覆蓋紅外波段和可見光波段，輻射效率比傳統石墨烯器件高出2個數量級，直接電學調制速率超過1GHz，有望為高速片上光互連和超快電-熱-光調制技術奠定器件基礎。

為了克服傳統襯底支撐器件等效溫度低、輻射發光效率低，以及懸浮器件制備成品率低、穩定性差的缺點，研究團隊發明了一種范德華直接集成技術，利用六方氮化硼（hBN，一種二維絕緣體）吸附石墨烯并將其精準轉移到預制電極上，從而構筑懸浮石墨烯電致發光器件。這種方法簡單有效，無需傳統工藝中復雜的超臨界點干燥過程，大大提高了懸浮石墨烯器件的樣品質量和成品率，并且可以拓展到大規模陣列的可控制備。懸浮石墨烯器件在偏置電流的作用下，產生焦耳熱，由于去除了襯底的散熱通道，石墨烯中的熱量迅速累積，溫度迅速升高。在偏壓小于5V的情況下，懸浮石墨烯器件可以發出肉眼可見的明亮光。通過控制偏壓，可以將石墨烯輻射發光光譜調控至可見光到紅外波段，其中包含了重要的光通信1550nm近紅外波段。在此基礎上，還可以通過設計和制造光學微腔來對石墨烯的發光光譜進行按需調控和增強，展現了波分復用的潛力。

圖 電驅動石墨烯超快熱電子輻射光源

研究還細致深入地研究了懸浮石墨烯熱電子發光的時間特性。在傳統的認識中，物體的熱輻射過程通常較慢，典型的例子包括關掉電源后白熾燈依然發燙，開水需要放置一段時間才能變涼，等等。這主要是因為物體的加熱和冷卻過程由其熱容決定，熱容越大，則加熱和冷卻越慢，而宏觀三維物體的熱容一般較大。石墨烯只有單層碳原子厚度，相當于頭發絲的三十萬分之一，是目前所有已知材料中熱容最小的。這也就意味著基于焦耳熱效應的石墨烯熱電子輻射速度將遠高于傳統三維金屬或者半導體。為了準確測量石墨烯器件的發光時間，研究團隊搭建了一套時間相關單光子計數系統（TCSPC）。測試結果表明，在方波交流電壓的驅動下，懸浮石墨烯器件的最短輻射脈沖寬度僅為不到1 ns（1 ns = 10-9 s），對應1GHz以上的超高電學調制頻率，比傳統的微納金屬和半導體高出4~5個數量級，是目前最快的電-熱-光調制器件。

研究進一步發現，在偏置電流的加熱下，懸浮石墨烯中的電子溫度顯著高于其聲學支聲子溫度。在偏壓為8V時，電子溫度可高達2800K，而聲學支聲子溫度為900K，即石墨烯中的電子很“熱”，而聲子相對較“冷”。這一結果表明，在電場作用下懸浮石墨烯中電子和聲子的能量處于非平衡狀態。這時，器件的輻射發光光譜不能用基本的黑體輻射定律描述，必須要考慮電-聲耦合的時空演化規律。在之前的文獻報道中，研究人員只有在飛秒激光激發的石墨烯中觀察到過這一現象，而在電學驅動的器件中觀察到非平衡態熱電子輻射的確鑿證據尚是首次。這一獨特的輻射發光機理也為進一步將石墨烯器件的發光速度提升至100GHz以上提供了全新的思路。

近期，上述成果以《電驅動懸浮石墨烯/六方氮化硼異質結中的超快非平衡熱電子發光》“Electrically-driven ultrafast out-of-equilibrium light emission from hot electrons in suspended graphene/hBN heterostructures”為題在線發表于國際著名期刊《極端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing）上，論文共同通訊作者為國防科技大學前沿交叉學科學院朱夢劍副研究員、羅芳副研究員和秦石喬教授，第一作者為國防科技大學前沿交叉學科學院碩士研究生劉強，主要合作者還包括國防科技大學朱志宏教授、徐威副教授，山西大學秦成兵教授、李小茜博士和張桐耀博士，以及2010年諾貝爾物理學獎得主，新加坡國立大學Kostya S. Novoselov教授等。

該研究工作得到了國家自然科學基金和湖南省湖湘青年英才項目的資助。

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International Journal of Extreme Manufacturing(中文《極端制造》），簡稱IJEM，致力于發表極端制造領域相關的高質量最新研究成果。自2019年創刊至今，期刊陸續被SCIE、EI、Scopus等20余個國際數據庫收錄。2023年JCR最新影響因子14.7，位列工程/制造學科領域第一。中科院分區工程技術1區。

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期刊網址：

https://iopscience.iop.org/journal/2631-7990

期刊投稿：

https://mc04.manuscriptcentral.com/ijem-caep

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撰稿: 作者 編輯：范珂艷 審核：關利超

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