光子集成电路在实现高计算速率和低功耗方面具有突破性意义，成为替代传统电子元件、超越摩尔定律的下一代芯片的有力候选技术。激光器光源是实现光子集成电路光通信、产生光通信载体的源头，却限制了光子集成电路尺寸的进一步缩小。随着纳米级尺寸的二维材料在微纳电子技术领域崛起，有望作为片上光源极大地推动这一颠覆性技术的进步。
近日，北京理工大学集成电路与电子学院王业亮教授团队在片上低维纳米光源研究方面取得重要进展，在ACS Nano上发表题为“Electrically-Driven Polarized Nano-Light Sources based on Suspended Graphene Nanoscrolls”的研究论文。该论文的共同第一作者为博士研究生韩旭、戴贇贇教授和博士研究生谢永志，通讯作者为王业亮教授、黄元教授和戴贇贇教授，北京理工大学是该工作的第一单位。
本研究发展了一种基于石墨烯纳米卷制备的高效纳米光源，其发射特性可通过外加电场和器件结构设计进行调控。该纳米光源具有宽范围可调谐的发射光谱，覆盖了从红外到可见光的波长范围。与此同时，石墨烯纳米卷光源具有超普朗克辐射效应，该效应源于低维纳米结构中的增强吸收。此外，石墨烯纳米卷的发射表现出快速开关特性（响应时间约为75 ms），在可见光波段的偏振度可达20%。本研究为石墨烯纳米卷发射特性的探索提供了重要支撑，并对推动片上集成纳米光源技术的发展具有重要意义。
1. 石墨烯纳米卷光源
石墨烯纳米卷是由石墨烯卷曲形成的紧密圆柱状结构。与平面石墨烯相比，石墨烯纳米卷的圆柱几何结构由于曲率效应和卷曲所引入的手性而表现出独特的电子与光学特性。图1a展示了石墨烯逐步卷曲形成螺旋状形貌的过程。图1b给出了石墨烯纳米卷与单层石墨烯在不同入射偏振光方向下的吸收效率对比。图1c展示了纳米光源器件的结构示意图，其为跨越Si/SiO2衬底刻蚀沟槽的悬空石墨烯纳米卷结构。悬空结构有效抑制了衬底引起的阻尼和热耗散，从而增强了热辐射。图1d给出了焦耳加热的空间分布模拟结果，显示温度在石墨烯纳米卷的中心最高，对应于最亮的发光位点。图1e展示了一个悬空石墨烯纳米卷阵列扫描电子显微镜图像。通过调节不同电极对之间的偏置电压，可以调控单个石墨烯纳米卷内的发光位点数量与位置（图1f）。
图1 一维石墨烯纳米卷曲体作为纳米光源
2. 石墨烯纳米卷的制备与表征
如图2a所示，石墨烯纳米卷的制备通过在石墨烯/衬底表面滴加加热后的去离子水-乙醇混合溶液实现。图2b-c对比了单层石墨烯与石墨烯纳米卷的Raman光谱。图2d显示的石墨烯纳米卷高度约为156 nm，远高于单层石墨烯的厚度（~0.35 nm）。图2e所示为石墨烯纳米卷的透射电镜图像及其对应位置的高分辨透射电镜。
图2 石墨烯纳米卷的制备与表征
3. 超普朗克辐射发光
当在电极上施加源漏电压时，石墨烯纳米卷能够发出肉眼可见的明亮且稳定的光，如图3a所示。图3b给出了校正光路损耗和光谱仪本征效率后的发射光谱结果。图3c给出了在黑暗环境下拍摄的不同偏置电压下的石墨烯纳米卷辐射发光的光学显微镜图像。随着偏置电压增大，石墨烯纳米卷光源的温度不断增加，在9.86 V偏压时可达约2300 K，同时发射强度显著增强（图3d）。图3e所示，石墨烯纳米卷的发光光谱随温度升高发生蓝移。石墨烯纳米卷发光表现出超普朗克辐射特性，其辐射强度超过了理论普朗克极限。进一步地，考虑全立体角辐射的情况下，石墨烯纳米卷的发射系数在宽波长范围内仍大于1（见图3f），再次印证其超普朗克辐射效应。
图3 石墨烯纳米卷光源的热辐射特性表征
4. 纳米卷发光的快速开关特性
图4a所示，在2秒脉冲下，发光响应的上升时间约为76 ms，下降时间约为72 ms。图4b进一步展示了在不同偏压下连续5个脉冲周期内，器件发光的高稳定性和良好可重复性，凸显了该器件在光通信及动态显示系统等应用中的潜力。图4c展示了长期性能测试结果。施加100个1秒脉冲（脉冲间隔1秒），发射保持稳定且周期性。
图4 石墨烯纳米卷光源的开关发光特性
5. 纳米光源偏振发光
石墨烯纳米卷表现出明显的偏振依赖光学特性。图5a展示了石墨烯纳米卷光源的偏振发光示意图。图5b展示了角度分辨的辐射强度，当偏振片垂直于石墨烯纳米卷圆柱轴方向时，发光强度达到最大；而当偏振片平行于圆柱轴方向时，发光强度最小。图5c显示了实验数据得到的偏振度随波长变化的情况：当波长由约0.8 μm减小至0.6 μm时，偏振度由约19%升高至23%。
图5 石墨烯纳米卷光源的偏振发光特性
总的来说，利用石墨烯纳米卷实现了片上纳米光源，实现了覆盖从红外到可见光的宽带发射，并构建了可用于光子集成电路的阵列化发射器，以及系统研究了器件发光的偏振特性。理论分析显示，石墨烯纳米卷的吸收系数大于1，表明其热辐射强度超过黑体极限。此外，石墨烯纳米卷光源还展现出快速开关光发射特性，响应时间约为75 ms，并在100个周期内保持稳定操作。石墨烯纳米卷具有明显偏振特性，偏振度约为20%。本工作显著推进了基于石墨烯纳米结构的光学发射理解，为开发高效、偏振可控的纳米光源奠定了基础，并为下一代光电子器件中增强光-物质相互作用的应用提供了新的途径。来源：北京理工大学
