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白炽灯泡变身半导体最尖端技术?!

美国哥伦比亚大学、韩国首尔大学(SNU)、韩国标准与科学研究院(KRISS)日前联合宣布开发出了全球最薄的白炽灯泡,通电后发光的“灯丝”是由碳原子结合而成的二维石墨烯。上述几家单位开发这种白炽灯泡,是为了将其用作由硅光子等硅半导体制成的光电路的光源。

作为光源,白炽灯一直被视作落后于时代的低端技术,如今却有了活跃在半导体技术最前沿的可能性。

美国哥伦比亚大学、韩国首尔大学(SNU)、韩国标准与科学研究院(KRISS)日前联合宣布开发出了全球最薄的白炽灯泡,相关论文已刊登在学术期刊《自然纳米技术》(Nature Nanotechnology)上。通电后发光的“灯丝”是由碳原子结合而成的二维石墨烯。上述几家单位开发这种白炽灯泡,是为了将其用作由硅光子等硅半导体制成的光电路的光源。

这种白炽灯泡是在硅芯片上的两个位置设置SiO2“桥墩”、并在其上的电极间像搭吊桥一样配置带状石墨烯而实现的,桥长为数μm。通电时,石墨烯的温度会超过2500℃,发光原理跟白炽灯泡一样。论文第一作者、哥伦比亚大学博士后研究员Young Duck Kim介绍称,“能以肉眼可见的亮度在可见光波段发光”。

另外,这种白炽灯泡能在相同温度下改变发光颜色,这是普通白炽灯泡很难实现的。改变SiO2桥墩的高度,就能改变发光颜色。这是因为石墨烯灯丝发出的光一部分被硅芯片反射,与直接发出的光线发生干涉的结果。Kim指出,“之所以会这样,是因为石墨烯材料是几乎透明的”。

以前,研究人员一直认为这种利用热量来发光的元件不能用于半导体技术。因为数千摄氏度的温度别说是电路,就连硅基板也会被熔化掉。

而此次之所以能取得颠覆常识的结果,是因为石墨烯的特殊性质。石墨烯原本就是作为导热率非常高的材料而为人熟知的。因此很难使石墨烯发热,即使能使其发热,热量也会传导到外部。但是,据KRISSKRISS高级研究员Myung-Ho Bae介绍,实际上石墨烯在达到高温时,原来的特性会发生改变,导热率会大幅降低。这是因为“高温时,石墨烯中的电子能量比石墨烯声振动模式的能量高很多,外部增加的能量不会传导到周围,而是用来提高热量”。

这一特性导致的结果便是,只有带状石墨烯中央附近的大约1个点会发出超过2500℃的热量,而不向周围传导。

现在,开发小组正在开发通过控制元件中流动的电流来直接改变元件发光的技术。

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