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石墨烯热发射器具有增强的焦耳加热和空气中的局部发光
出处:石墨烯杂志  录入日期:2019-09-10  点击数:98

  控制纳米级的热辐射对于验证亚波长限制中的普朗克定律至关重要,并且是包括能量、显示和安全在内的一系列创新技术的关键。得益于优异的电子、热和机械性能,电偏置石墨烯最近被证明是有前景的热发射器,只有单原子的厚度。在这里,我们限制电流通过狭窄的收缩来显示石墨烯中增强的焦耳热效应。石墨烯的晶格温度分布在收缩中间显示出良好的局部“热点”。六方氮化硼封装的石墨烯器件可以承受高达约1600K的高晶格温度,以在空气中从收缩部分激发局部发光。通过由SiO2和hBN电介质组成的光子腔,石墨烯发射极的光谱被显著改变为可见范围。可以通过改变施加的偏压来调节发射强度。利用化学气相沉积石墨烯和原子层沉积Al2O3覆盖层实现了4×4石墨烯发射体阵列,以证明该技术的Si平台的可扩展性和兼容性。结果探索了石墨烯器件作为电驱动热发射器的一种潜在“杀手级应用”,为未来的纳米光电子学铺平了道路。

 

  Figure 1. 电偏置石墨烯中的焦耳加热:(a)典型石墨烯收缩装置的示意图;(b)两个石墨烯收缩装置的光学图像;(c)测量三种石墨烯器件的I-Vb曲线;(d)拉曼图,比例尺为5μm;(e)石墨烯在0-5 V各种Vb下的拉曼光谱;(f)石墨烯中间的晶格温度T随p的变化,虚线是与实验数据的线性拟合。

  Figure 2.电偏压石墨烯的空间分辨温度分布:(a-c)通过拉曼光谱法在Vb=5V时测量Gr、Gr-C-1.5μm和Gr-C-1.0μm器件的温度分布;(d-f)在Vb=5V时计算Gr、Gr-C-1.5μm和Gr-C-1.0μm器件的温度分布;(g-i)沿x方向显示温度分布,而y位置固定在2μm;点是实验数据,曲线是计算。

 

  Figure 3. 空气中hBN/Gr/hBN收缩的光发射:(a)hBN封装的石墨烯收缩装置的示意图;(b)对于hBN/Gr/hBN-C-1.5μm装置,测量I和p作为Vb的函数;插图是比例尺为4μm的设备图片;(c)石墨烯收缩中间的晶格温度T随p的变化;(d)通过石墨烯2D峰校准hBN/Gr/hBN-C-1.5μm器件的温度图;(e)在可见光照射下hBN/Gr/hBN-C-1.5μm装置的光学图像;(f)在16至21 V的不同Vb下测量的发光光谱。

 

  Figure 4. Al2O3封装的石墨烯热发射器的表征:(a)制备的Al2O3封装的石墨烯收缩装置(Al2O3-Gr-C-1.5μm)的I-Vb曲线;插图是石墨烯器件的光学图片,比例尺:10μm;(b)石墨烯作为施加偏压函数的拉曼2D峰;(c)测量晶格温度作为提供的电功率密度的函数;(d)不同Vb下Al2O3-Gr-C-1.5μm的发光光谱,插图是在Vb=24 V下照射石墨烯器件的光学图,比例尺:4μm。

 

 

  Figure 5. Al2O3封装的石墨烯发射体阵列:(a)在SiO2/Si衬底上制造的4×4阵列的石墨烯发射器的光学显微照片,从左列到右列的收缩宽度:分别为4(无收缩)、1.5、1和0.5μm,比例尺为25μm;(b)在Vb=24 V的可见光照射下,发射器阵列的光学图像,比例尺为25μm。
  相关研究成果于2019年由国防科技大学朱梦剑课题组,发表在ACS Photonics(DOI: 10.1021/acsphotonics.9b00667)上。原文:Graphene Thermal Emitter with Enhanced Joule Heating and Localized Light Emission in Air。
  来源:石墨烯杂志

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