近日，清華大學(xué)微電子所任天令教授課題組在《自然－通訊》 （Nature Communications）上在線發(fā)表了題為《光譜可調(diào)的柔性全石墨烯基場(chǎng)控發(fā)光器件》（“A spectrally tunable all-graphene-based flexible field-effect light-emitting device”）的研究論文，首次揭示了可通過(guò)電壓調(diào)控發(fā)光波長(zhǎng)的發(fā)光器件。不同于傳統(tǒng)固定波長(zhǎng)的LED，這一新型器件的發(fā)光波長(zhǎng)（在單一器件內(nèi)）可以在750nm至450nm之間連續(xù)可調(diào)，突破了現(xiàn)有顯示器件的顏色合成方式，有望對(duì)當(dāng)代顯示、照明和通訊技術(shù)產(chǎn)生革命性影響。耶魯大學(xué)博士后王肖沐和清華大學(xué)微納電子系博士畢業(yè)生田禾是文章的共同第一作者，清華大學(xué)微納電子系任天令教授是論文的通訊作者。
通過(guò)柵極電壓調(diào)控發(fā)光波長(zhǎng)的光譜圖
迄今為止，所有的LED器件中，發(fā)光顏色/波長(zhǎng)均由發(fā)光材料決定。對(duì)于現(xiàn)有的LED而言，一旦器件制備完成，其發(fā)光波長(zhǎng)是固定的。傳統(tǒng)顯示或照明技術(shù)通過(guò)調(diào)整幾種固定顏色（典型器件使用紅、綠、藍(lán)三基色）發(fā)光單元的亮度，來(lái)實(shí)現(xiàn)顏色的表示或白光的合成。該文章首次報(bào)道的波長(zhǎng)/色彩可調(diào)的LED，在獲得優(yōu)異的顏色保真度的同時(shí)，還可以使得顯示器件內(nèi)的發(fā)光單元數(shù)目顯著減小，從而極大地優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路并降低功耗，這項(xiàng)成果在相關(guān)領(lǐng)域具有深遠(yuǎn)的意義。論文的審稿人評(píng)價(jià)道，“這項(xiàng)工作有望在發(fā)光器件領(lǐng)域拓展新的研究方向”、“這項(xiàng)工作令人激動(dòng)人心且具有影響力”。
通過(guò)柵極電壓調(diào)控發(fā)光波長(zhǎng)的機(jī)制圖
石墨烯材料，具有獨(dú)特的物理性質(zhì)，在可控光子/光電子器件等課題中被廣泛應(yīng)用。但由于其零帶隙和非發(fā)光復(fù)合率高的特性，石墨烯基發(fā)光器件是學(xué)術(shù)界的一個(gè)難題和長(zhǎng)期空白領(lǐng)域。任天令教授課題組創(chuàng)新性的通過(guò)激光直寫(xiě)技術(shù)，在氧化石墨烯和還原石墨烯的界面處獲得了半還原態(tài)的srGO材料。該材料兼?zhèn)涫┑母邔?dǎo)電性和氧化石墨烯的寬帶隙特征。通過(guò)構(gòu)建面內(nèi)柵極結(jié)構(gòu)，對(duì)柵極施加電壓可以調(diào)制srGO的費(fèi)米能級(jí)，從而實(shí)時(shí)調(diào)控石墨烯LED發(fā)光的中心波長(zhǎng)。該LED還具有亮度高和可制成柔性器件的特點(diǎn)，是現(xiàn)代LED顯示、照明和通信技術(shù)的理想元件。
近年來(lái)，任天令教授致力于石墨烯等二維電子器件的研究，尤其關(guān)注突破傳統(tǒng)器件限制的新型器件，為新一代微納電子器件技術(shù)奠定基礎(chǔ)，在新型石墨烯基存儲(chǔ)器、聲學(xué)器件和傳感器件等方面已獲得了多項(xiàng)創(chuàng)新成果，如柔性透明石墨烯耳機(jī)和低功耗石墨烯阻變存儲(chǔ)器。該研究成果得到了國(guó)家自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目支持。
