光子集成電路在實(shí)現(xiàn)高計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和器件結(jié)構(gòu)設(shè)計進(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范圍。與此同時，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，并對推動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，對應(yīng)于最亮的發(fā)光位點(diǎn)。圖1e展示了一個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)不同電極對之間的偏置電壓，可以調(diào)控單個石墨烯納米卷內(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，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偏壓時可達(dá)約2300 K，同時發(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)的上升時間約為76 ms，下降時間約為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態(tài)顯示系統(tǒng)等應(yīng)用中的潛力。圖4c展示了長期性能測試結(jié)果。施加100個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，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，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變化的情況：當(dāng)波長由約0.8 μm減小至0.6 μm時，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)時間約為75 ms，并在100個周期內(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。來源：北京理工大學(xué)