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國(guó)防科技大學(xué)朱夢(mèng)劍課題組--石墨烯熱發(fā)射器具有增強(qiáng)的焦耳加熱和空氣中的局部發(fā)光
  控制納米級(jí)的熱輻射對(duì)于驗(yàn)證亞波長(zhǎng)限制中的普朗克定律至關(guān)重要,并且是包括能量、顯示和安全在內(nèi)的一系列創(chuàng)新技術(shù)的關(guān)鍵。得益于優(yōu)異的電子、熱和機(jī)械性能,電偏置石墨烯最近被證明是有前景的熱發(fā)射器,只有單原子的厚度。在這里,我們限制電流通過(guò)狹窄的收縮來(lái)顯示石墨烯中增強(qiáng)的焦耳熱效應(yīng)。石墨烯的晶格溫度分布在收縮中間顯示出良好的局部“熱點(diǎn)”。六方氮化硼封裝的石墨烯器件可以承受高達(dá)約1600K的高晶格溫度,以在空氣中收縮部分激發(fā)局部發(fā)光。通過(guò)由SiO2hBN電介質(zhì)組成的光子腔,石墨烯發(fā)射極的光譜被顯著改變為可見(jiàn)范圍??梢酝ㄟ^(guò)改變施加的偏壓來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)射強(qiáng)度。利用化學(xué)氣相沉積石墨烯和原子層沉積Al2O3覆蓋層實(shí)現(xiàn)了4×4石墨烯發(fā)射體陣列,以證明該技術(shù)的Si平臺(tái)的可擴(kuò)展性和兼容性。結(jié)果探索了石墨烯器件作為電驅(qū)動(dòng)熱發(fā)射器的一種潛在殺手級(jí)應(yīng)用,為未來(lái)的納米光電子學(xué)鋪平了道路。

Figure 1. 電偏置石墨烯中的焦耳加熱:a)典型石墨烯收縮裝置的示意圖b)兩個(gè)石墨烯收縮裝置的光學(xué)圖像c)測(cè)量三種石墨烯器件的I-Vb曲線d)拉曼圖,比例尺為5μm;e)石墨烯在0-5 V各種Vb下的拉曼光譜;f)石墨烯中間的晶格溫度Tp的變化,虛線是與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的線性擬合。



Figure 2.電偏壓石墨烯的空間分辨溫度分布:a-c)通過(guò)拉曼光譜法在Vb=5V時(shí)測(cè)量Gr、Gr-C-1.5μmGr-C-1.0μm器件的溫度分布;d-f)在Vb=5V時(shí)計(jì)算Gr、Gr-C-1.5μmGr-C-1.0μm器件的溫度分布;g-i)沿x方向顯示溫度分布,而y位置固定在2μm;點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),曲線是計(jì)算。


Figure 3. 空氣中hBN/Gr/hBN收縮的光發(fā)射:(ahBN封裝的石墨烯收縮裝置的示意圖b)對(duì)于hBN/Gr/hBN-C-1.5μm裝置,測(cè)量Ip作為Vb的函數(shù);插圖是比例尺為4μm的設(shè)備圖片c)石墨烯收縮中間的晶格溫度Tp的變化d)通過(guò)石墨烯2D峰校準(zhǔn)hBN/Gr/hBN-C-1.5μm器件的溫度圖;e)在可見(jiàn)光照射下hBN/Gr/hBN-C-1.5μm裝置的光學(xué)圖像;f)在1621 V的不同Vb下測(cè)量的發(fā)光光譜。


Figure 4. Al2O3封裝的石墨烯熱發(fā)射器的表征a)制備的Al2O3封裝的石墨烯收縮裝置(Al2O3-Gr-C-1.5μm)的I-Vb曲線插圖是石墨烯器件的光學(xué)圖片,比例尺:10μm;b)石墨烯作為施加偏壓函數(shù)的拉曼2D;c)測(cè)量晶格溫度作為提供的電功率密度的函數(shù)d)不同VbAl2O3-Gr-C-1.5μm的發(fā)光光譜,插圖是在Vb=24 V下照射石墨烯器件的光學(xué)圖,比例尺:4μm。





Figure 5. Al2O3的石墨烯發(fā)射體陣列a)在SiO2/Si襯底上制造的4×4陣列的石墨烯發(fā)射器的光學(xué)顯微照片從左列到右列的收縮寬度:分別為4(無(wú)收縮)、1.510.5μm,比例尺為25μm;b)在Vb=24 V的可見(jiàn)光照射下發(fā)射器陣列的光學(xué)圖像,比例尺為25μm。
   相關(guān)研究成果于2019年由國(guó)防科技大學(xué)朱夢(mèng)劍課題組,發(fā)表在ACS PhotonicsDOI: 10.1021/acsphotonics.9b00667)上。原文:Graphene Thermal Emitter with Enhanced Joule Heating and Localized Light Emission in Air。


 
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