從懸浮石墨烯材料發(fā)出可見(jiàn)光的光學(xué)(左)和顯微(右)圖像。

由美國(guó)哥倫比亞大學(xué)、韓國(guó)首爾國(guó)立大學(xué)、韓國(guó)標(biāo)準(zhǔn)與科學(xué)研究院的研究人員組成的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造出世界上最微小的石墨烯燈泡。

這群科學(xué)家用一小塊石墨烯燈絲作為金屬電極導(dǎo)電，厚度只有碳原子直徑大小。接通電流之后，燈泡亮起。盡管燈絲是由碳原子厚度的二維材料石墨烯的平面薄膜構(gòu)成，但是肉眼可見(jiàn)。

石墨烯具有非同尋常的導(dǎo)電性能、超出鋼鐵數(shù)十倍的強(qiáng)度和極好的透光性，熔點(diǎn)高達(dá)2500℃，電阻率小于銅和銀，是非常高效的電極材料。

參與者之一哥倫比亞大學(xué)科學(xué)家詹姆斯˙豪恩(James Hone)表示，“理論上，我們已經(jīng)創(chuàng)造出世界上最薄最微小的燈泡，為未來(lái)制造透明觸控屏幕、光板奠定了基礎(chǔ)。”

首爾大學(xué)丹尼爾˙帕克˙崔(Yun Daniel Park)教授則表示，愛(ài)迪生最初發(fā)明白熾燈時(shí)也是使用炭化后的竹絲作為燈絲，直到后來(lái)發(fā)現(xiàn)鎢絲，才代替了炭絲。

此前研究人員嘗試過(guò)多種不同的技術(shù)方案，但從未能將最為古老也最為簡(jiǎn)單的人工光源——白熾燈泡集成到芯片表面。

原因很簡(jiǎn)單，白熾燈泡的燈絲必須具有極高的溫度才能發(fā)光——達(dá)到上千攝氏度，只有達(dá)到這樣的溫度下它才能在可見(jiàn)光波段發(fā)光，但芯片結(jié)構(gòu)中微觀尺度下的金屬絲是無(wú)論如何也無(wú)法承受這樣的高溫的。

除此之外，高溫?zé)艚z向周?chē)鷧^(qū)域產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)極其高效，這將導(dǎo)致其周?chē)鷧^(qū)域溫度迅速上升，破壞芯片結(jié)構(gòu)，因而在技術(shù)上幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

通過(guò)測(cè)量石墨烯材料光源的光譜，研究組可以測(cè)算出其溫度約為2500攝氏度左右，足以使其發(fā)出明亮的可見(jiàn)光。這項(xiàng)研究的第一作者、哥倫比亞大學(xué)霍恩教授小組的博士后金德勇(音譯：Young Duck Kim)稱，“從這一單原子厚度的石墨烯材料發(fā)出的可見(jiàn)光強(qiáng)度很高，甚至不需要使用任何放大設(shè)備，直接用裸眼就能看到。”

石墨烯能夠?qū)崿F(xiàn)如此高溫卻不會(huì)導(dǎo)致周?chē)牧匣蚪饘匐姌O的熔化，則是由于其具有的另外一項(xiàng)有趣特性——隨著石墨烯材料的升溫，它逐漸成為熱的不良導(dǎo)體。這就意味著它具有將高溫局限在一個(gè)非常小的“熱點(diǎn)”區(qū)域內(nèi)的性質(zhì)。

參與這項(xiàng)研究工作的一名韓國(guó)標(biāo)準(zhǔn)與科學(xué)研究院高級(jí)研究員說(shuō)：“在最高的溫度下，電子溫度遠(yuǎn)高于石墨烯晶格的聲振動(dòng)模式，因此只需要較少的能量便能實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光波段發(fā)光。這些獨(dú)特的熱性質(zhì)讓石墨烯材料加熱到相當(dāng)于太陽(yáng)表面一半的溫度，卻能實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)燈絲材料高出1000倍的發(fā)光效率。”

目前，該團(tuán)隊(duì)正開(kāi)展進(jìn)一步研究工作，以期提高這項(xiàng)技術(shù)的表現(xiàn)。比如光源可以實(shí)現(xiàn)迅速地開(kāi)關(guān)操作，以符合光的傳輸要求。另外，也需要開(kāi)發(fā)相應(yīng)的技術(shù)，使其能夠整合到可折疊的底層材料上。

霍恩說(shuō)：“對(duì)于開(kāi)發(fā)這種材料的各項(xiàng)用途，我們才剛剛開(kāi)了個(gè)頭。比如這項(xiàng)技術(shù)可以被用來(lái)開(kāi)發(fā)微型加熱板，它可以瞬間加熱到數(shù)千攝氏度，以幫助進(jìn)行高溫化學(xué)反應(yīng)或催化作用的研究。”

原標(biāo)題:科學(xué)家用石墨烯造出最薄燈泡，僅一個(gè)原子厚、可耐兩千度高溫