科學(xué)家發(fā)現(xiàn)首個顏色可調(diào)的石墨烯發(fā)光二極管

【中鎢在線新聞網(wǎng)-鎢新聞】

石墨烯LED的發(fā)光顏色取決于外加電壓。紅色和藍(lán)色的圖表示電子被激發(fā)到不同的能級，對應(yīng)著不同的光子能量，因此發(fā)出不同顏色的光。

目前，所有發(fā)光二極管(LED)只發(fā)出一種顏色的光，由制備工藝決定的。到目前為止，改變單個LED的發(fā)光顏色從沒實現(xiàn)過，盡管有許多的嘗試。

在一項新的研究中，科學(xué)家們已證明LED不僅可被調(diào)整發(fā)出不同顏色的光，而且可幾乎可包含整個可見光譜：從藍(lán)色(450 nm波長)到紅色(750 nm波長)，包含除了深藍(lán)色和紫色的幾乎所有顏色。這是一項很了不起的成果。

實現(xiàn)顏色可調(diào)LED的關(guān)鍵是由石墨烯材料制成，利用這種已在許多領(lǐng)域有多項突破的材料，從電池到太陽能電池再到半導(dǎo)體。盡管石墨烯在這些領(lǐng)域的應(yīng)用很成功，但人們從未想到過石墨烯LED會成為首個石墨烯LED而且是第一個顏色可調(diào)的LED。

新型LED可用于電視和移動設(shè)備上的高質(zhì)量顏色可調(diào)LED顯示屏、燈具和一系列未來石墨烯光子設(shè)備。

由北京清華大學(xué)Tian-Ling Ren教授領(lǐng)導(dǎo)的研究人員，利用兩種不同形式石墨烯的界面制備了光發(fā)射材料。這些材料分別是來自廉價石墨的氧化石墨烯(GO)，和氧化石墨烯更原始的形式，還原的氧化石墨烯(rGO)。

存在于GO和rGO界面處的是一種特殊類型的部分還原氧化石墨烯，其光學(xué)、物理和化學(xué)性質(zhì)取決于在GO和rGO界面中的位置。界面層最重要的“混合”特性是存在一系列離散的能級，最終使LED可發(fā)出不同能量或不同顏色的光。

這種特性的出現(xiàn)特別有趣，無論是GO還是rGO(或其他任何形式的石墨烯)都不能發(fā)出任何光。因為這些材料都沒有合適尺寸的“帶隙”，帶隙處于兩個能帶間，電子必須穿過帶隙才能導(dǎo)電或發(fā)光。GO有非常寬的帶隙，而rGO的帶隙為零。

不是在GO和rGO界面某處存在著一種帶隙，而是在混合時，部分氧化石墨烯界面存在著不同的中間帶隙，不是平滑的過渡，而是rGO的納米團(tuán)簇嵌入到GO層。因為這些rGO納米團(tuán)簇在界面處有不同程度的還原，它們表現(xiàn)出不同能級的變化，結(jié)果影響了發(fā)光的顏色。這些能級可以很容易地通過改變外加電壓或化學(xué)摻雜而改變，選擇性地刺激單色發(fā)光，實現(xiàn)LED光的可調(diào)性。

“我們發(fā)現(xiàn)的GO與rGO的結(jié)合可以創(chuàng)建一種導(dǎo)電的寬帶隙材料，”Ren教授對Phys.org說�！拔覀兌贾�道石墨烯沒有帶隙。因此我們都驚訝于我們的GO和rGO界面(一個石墨烯系統(tǒng))實際上可以發(fā)光。”

事實上，這是在石墨烯基系統(tǒng)中首次觀察到的發(fā)光現(xiàn)象，使石墨烯有望作為未來石墨烯光子設(shè)備的光源。顏色可調(diào)LED被期待用于高質(zhì)量LED顯示屏和燈具。因為顏色變化對應(yīng)某些化學(xué)物質(zhì)，這些設(shè)備也可用于傳感器應(yīng)用。

“石墨烯顏色可調(diào)LED可實現(xiàn)柔性顯示技術(shù)，并覆蓋整個可見光譜，”Ren教授說�！皞鹘y(tǒng)LED只發(fā)出一種固定波長的光，因此顯示技術(shù)需要混合紅色、綠色和藍(lán)色的LED。如果石墨烯顏色可調(diào)LED被使用，全彩和柔性顯示可通過一種簡單的方法實現(xiàn)。廣大消費者們和醫(yī)療電子設(shè)備可從這項技術(shù)中獲益�！�

在他們的工作中，研究人員設(shè)計、制造并測試了二十種石墨烯LED�？傮w來說，設(shè)備顯示了良好的亮度，但對于存在的低效率，他們打算改善。另一個缺點是很短的發(fā)射壽命，在空氣中不足一分鐘，在真空環(huán)境中大約兩小時。研究人員認(rèn)為氧化是低壽命的原因，并預(yù)測添加保護(hù)膜可以得到改善。

盡管有改進(jìn)的空間，研究人員還期望石墨烯LED可利用其幾個優(yōu)勢被推廣到商業(yè)方面，優(yōu)勢包括其精確顏色可調(diào)性，結(jié)構(gòu)緊湊性，和易制造性。

“石墨烯LED的效率可以進(jìn)一步提升，”Ren教授說。“實現(xiàn)這一目標(biāo)的途徑之一是將n型半導(dǎo)體材料與石墨烯結(jié)合。短壽命可通過使用真空密封方法而提高。因為我們的方法是簡單和低成本的，在幾年內(nèi)可能會實現(xiàn)商業(yè)化。與其他任何出自于實驗室的技術(shù)一樣，存在著挑戰(zhàn)；然而，我們相信未來這些挑戰(zhàn)都可以被克服。我們認(rèn)為石墨烯顏色可調(diào)LED是實現(xiàn)柔性顯示的一種很有前途的技術(shù)。”

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