北京理工大学王业亮教授，黄元教授ACS Nano：基于悬浮石墨烯纳米卷的电驱动偏振纳米光源

北京理工大学王业亮教授，黄元教授等人发表了题为“Electrically-Driven Polarized Nano-Light Sources Based on Suspended Graphene Nanoscrolls 的工作于ACS Nano期刊上

本文研究了基于悬浮石墨烯纳米卷（GNSs）的电驱动偏振纳米光源。研究团队通过外部电场和器件结构设计实现了对GNSs发射的调制。GNSs展现出从红外到可见光范围的广泛可调谐发射光谱，并且具有超普朗克辐射效应，这种效应源于低维纳米结构中的增强吸收。理论计算表明，GNSs在法线方向的吸收系数大于1，根据基尔霍夫热辐射定律，这意味着它们具有强烈的辐射发射能力。此外，GNSs的发射展现出快速开关行为（响应时间约为75毫秒），在可见光范围内的偏振度达到20%。这项工作为研究GNSs的发射特性提供了重要支持，并对推动片上集成纳米光源技术的发展具有深远意义。

背景

光子集成电路在计算和通信领域具有变革性潜力，被认为是下一代芯片技术中传统电子元件的有前途的替代品。片上光源是片上光子集成电路的核心组成部分，目前片上激光器是主要选择。然而，这些光源的发射带宽相对较窄，难以满足宽带信息传输应用的要求。因此，寻找能够实现宽带发射的紧凑、高强度光源是实现未来片上光子集成电路实际应用的关键。

低维纳米材料展现出独特的发射特性，显示出作为片上纳米光源（NLSs）的巨大潜力。例如，量子点、碳纳米管和薄膜材料展现出高效的发光特性，为传统片上NLSs提供了一种有前途的补充方法。尽管如此，关于低维材料的辐射发射和偏振的研究相对较少。

主要内容

本文展示了基于石墨烯纳米卷（GNSs）的高效纳米光源（NLS），其发射通过外部电场和器件结构设计进行调制。GNSs通过将石墨烯单层卷曲形成，展现出独特的电子和光学特性。研究团队设计了一种多通道悬浮器件结构，通过控制电压实现了多个悬浮GNS位置的光发射。发射光谱显示，单个GNS能够发射可见光，并且实现了高达9.43×10^12 cm^-2的高热载流子密度。此外，GNSs展现出超普朗克辐射，这种现象源于其独特的纳米结构，显著增强了吸收和光发射能力。GNS NLSs还展现出快速光开关和偏振发射特性，这些特性使其在光学通信和光子集成电路中具有潜在应用价值。

实验细节

实验中，研究团队首先通过将加热的去离子水-乙醇混合溶液滴在石墨烯/基底表面，实现了从二维石墨烯片到一维管状GNS的转变。这一过程依赖于毛细管力，破坏了粘附能和弹性能之间的平衡，导致石墨烯自发卷曲成GNSs。

创新点

1. 超普朗克辐射：首次发现GNSs展现出超普朗克辐射，显著增强了能量转换效率。理论分析表明，GNSs的吸收系数大于1，表明其热发射超过了黑体极限。
2. 快速光开关：GNS NLSs展现出快速光开关行为，响应时间约为75毫秒，并且在100个循环中表现出稳定的运行特性。
3. 偏振发射：GNSs的发射展现出偏振特性，偏振度约为20%，这为其在光学通信和光子集成电路中的应用提供了重要支持。
4. 宽带发射：GNSs实现了从红外到可见光范围的宽带发射，覆盖了580至780纳米的波长范围，使其成为下一代光子集成电路的理想光源。

结论

本研究通过实验实现了基于GNSs的NLSs，并研究了其发射光的偏振特性。成功制备了悬浮GNS器件，并实现了从红外到可见光范围的宽带发射，形成了适用于光子集成电路的阵列发射器。GNSs展现出的超普朗克辐射显著增强了能量转换效率。此外，GNS NLSs展现出快速光开关和偏振发射特性，使其在光学通信和光子集成电路中具有潜在应用价值。这项工作显著推进了对基于石墨烯的纳米结构的理解，并为开发高效的偏振NLSs铺平了道路，利用增强的光-物质相互作用为下一代光电器件的发展提供了支持。

结果与讨论

图 1. 一维石墨烯纳米卷作为非线性光源。(a)石墨烯向GNSs形态转变的示意图。(b)不同偏振角度下GNSs和单层石墨烯(1LG)的吸收特性。(c)基于悬浮GNS的NLS器件示意图。(d)悬浮GNS内焦耳热效应的空间分布模拟。(e)单个悬浮GNS器件的扫描电子显微镜(SEM)图像。(f)部件i至iv展示通过向不同电极施加电压实现的、具有不同数量和位置的光源照明效果。比例尺为5微米。

图2. GNSs的制备与表征。(a)单层石墨烯(1LG)卷曲形成GNS的光学显微图像。(b)1LG和GNSs的拉曼光谱。(c)G模的拉曼映射图。(d)GNS的原子力显微镜(AFM)图像及对应(a)(ii)位置的截面高度曲线，比例尺为5微米。(e)GNS的透射电子显微镜(TEM)图像，边缘放大区域显示石墨烯片的堆叠原子层结构。

图3. GNS NLSs的热发射特性表征。(a)高真空环境下悬浮GNS NLS工作示意图。(b)可见光范围内测量的发射光谱，展示GNS的辐射特性。(c)光学显微图像显示GNS NLS随Vds增加逐渐增强的发光现象，比例尺为4微米。(d)GNS NLS发射器温度(T)与光强计数的相关性随Vds变化的函数关系，其中T由发射光谱推导得出。(e)基于(b)中发射强度测量数据拟合的GNS NLS(实线)与黑体(虚线)辐射发射曲线。(f)GNS NLSs(D=0.8μm)的Qabs和发射系数模拟结果，突显其发射特性的波长依赖性。插图展示了GNS吸收截面和超普朗克辐射发射的示意图。

图4. GNS NLS光发射调制的开关特性。(a)电压脉冲Vds在14.5至15.5V变化下的时间分辨发射计数。(b)电压脉冲Vds在14.5至15.5V变化范围内经过5个循环的发射稳定性。(c)在Vds=15V条件下，以1秒脉冲间隔重复100个循环的发射测试。

图5. GNS NLS的偏振发射特性。(a)示意图展示了GNS NLS辐射发射的偏振过程，通过偏振器测量光发射偏振，输出电场沿该系统定义的x轴和y轴特定方向振荡。(b)极坐标图显示GNS NLS在不同波长(λ=0.60、0.65、0.70和0.75μm)下的偏振光发射分布。(c)偏振度(DOP)随波长λ的变化关系，实验数据(蓝色圆点)与置信区间(绿色区域)及模拟结果高度吻合。

文献：https://doi.org/10.1021/acsnano.5c07582