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，首次揭示了可通過電壓調(diào)控發(fā)光波長的發(fā)光器件。不同于傳統(tǒng)固定波長的LED，這一新型器件的發(fā)光波長(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。
通過柵極電壓調(diào)控發(fā)光波長的光譜圖
迄今為止，所有的LED器件中，發(fā)光顏色/波長均由發(fā)光材料決定。對于現(xiàn)有的LED而言，一旦器件制備完成，其發(fā)光波長是固定的。傳統(tǒng)顯示或照明技術(shù)通過調(diào)整幾種固定顏色(典型器件使用紅、綠、藍三基色)發(fā)光單元的亮度，來實現(xiàn)顏色的表示或白光的合成。該文章首次報道的波長/色彩可調(diào)的LED，在獲得優(yōu)異的顏色保真度的同時，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)動電路并降低功耗，這項成果在相關(guān)領(lǐng)域具有深遠的意義。論文的審稿人評價道，“這項工作有望在發(fā)光器件領(lǐng)域拓展新的研究方向”、“這項工作令人激動人心且具有影響力”。
通過柵極電壓調(diào)控發(fā)光波長的機制圖
石墨烯材料，具有獨特的物理性質(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)界的一個難題和長期空白領(lǐng)域。任天令教授課題組創(chuàng)新性的通過激光直寫技術(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。通過構(gòu)建面內(nèi)柵極結(jié)構(gòu)，對柵極施加電壓可以調(diào)制srGO的費米能級，從而實時調(diào)控石墨烯LED發(fā)光的中心波長。該LED還具有亮度高和可制成柔性器件的特點，是現(xiàn)代LED顯示、照明和通信技術(shù)的理想元件。
近年來，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器、聲學(xué)器件和傳感器件等方面已獲得了多項創(chuàng)新成果，如柔性透明石墨烯耳機和低功耗石墨烯阻變存儲器。該研究成果得到了國家自然基金重點項目支持。
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