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國防科技大學朱夢劍課題組--石墨烯熱發射器具有增強的焦耳加熱和空氣中的局部發光

控制納米級的熱輻射對于驗證亞波長限制中的普朗克定律至關重要，并且是包括能量、顯示和安全在內的一系列創新技術的關鍵。得益于優異的電子、熱和機械性能，電偏置石墨烯最近被證明是有前景的熱發射器，只有單原子的厚度。在這里，我們限制電流通過狹窄的收縮來顯示石墨烯中增強的焦耳熱效應。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”。六方氮化硼封裝的石墨烯器件可以承受高達約1600K的高晶格溫度，以在空氣中從收縮部分激發局部發光。通過由SiO₂和hBN電介質組成的光子腔，石墨烯發射極的光譜被顯著改變為可見范圍?？梢酝ㄟ^改變施加的偏壓來調節發射強度。利用化學氣相沉積石墨烯和原子層沉積Al₂O₃覆蓋層實現了4×4石墨烯發射體陣列，以證明該技術的Si平臺的可擴展性和兼容性。結果探索了石墨烯器件作為電驅動熱發射器的一種潛在“殺手級應用”，為未來的納米光電子學鋪平了道路。

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）兩個石墨烯收縮裝置的光學圖像；（c）測量三種石墨烯器件的I-V_b曲線；（d）拉曼圖，比例尺為5μm；（e）石墨烯在0-5 V各種V_b下的拉曼光譜；（f）石墨烯中間的晶格溫度T隨p的變化，虛線是與實驗數據的線性擬合。

Figure 2.電偏壓石墨烯的空間分辨溫度分布：（a-c）通過拉曼光譜法在V_b=5V時測量Gr、Gr-C-1.5μm和Gr-C-1.0μm器件的溫度分布；（d-f）在V_b=5V時計算Gr、Gr-C-1.5μm和Gr-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；點是實驗數據，曲線是計算。

Figure 3. 空氣中hBN/Gr/hBN收縮的光發射:（a）hBN封裝的石墨烯收縮裝置的示意圖；（b）對于hBN/Gr/hBN-C-1.5μm裝置，測量I和p作為V_b的函數；插圖是比例尺為4μm的設備圖片；（c）石墨烯收縮中間的晶格溫度T隨p的變化；（d）通過石墨烯2D峰校準hBN/Gr/hBN-C-1.5μm器件的溫度圖；（e）在可見光照射下hBN/Gr/hBN-C-1.5μm裝置的光學圖像；（f）在16至21 V的不同V_b下測量的發光光譜。

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

Figure 5. Al₂O₃封裝的石墨烯發射體陣列：（a）在SiO₂/Si襯底上制造的4×4陣列的石墨烯發射器的光學顯微照片，從左列到右列的收縮寬度：分別為4（無收縮）、1.5、1和0.5μm，比例尺為25μm；（b）在V_b=24 V的可見光照射下，發射器陣列的光學圖像，比例尺為25μm。
相關研究成果于2019年由國防科技大學朱夢劍課題組，發表在ACS Photonics（DOI: 10.1021/acsphotonics.9b00667）上。原文：Graphene Thermal Emitter with Enhanced Joule Heating and Localized Light Emission in Air。



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