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世界最薄燈泡問世:只有一個原子厚

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130年前,愛迪生用碳做成了世界上首款商用型燈泡的燈絲。

而現在,來自哥倫比亞大學、首爾國立大學(SNU)、以及韓國標準科學研究院的研究團隊,已經用相同的元素—碳的完美結晶形式(石墨烯)—做出了世界上最薄的電燈泡。儘管它的燈絲只有一層原子那麼厚,但它產生的光亮仍可以很容易被肉眼看到。

 

Young Duck Kim和James Hone教授
▲ Young Duck Kim和James Hone教授


透過將石墨烯微細絲附加在金屬電極上,然後懸掛在矽基板的方式,電流透過燈絲並致其加熱至超過2500℃(4500℉),從而發出非常明亮的光。

 研究人員用石墨烯製作出世界上最薄的片上型光源
▲ 研究人員用石墨烯製作出世界上最薄的片上型光源。


哥倫比亞大學機械工程教授James Hone表示:「我們已經創造出了世界上最薄的燈泡,這種新型的『寬帶』光源可以集成到晶片中,並為實現薄如原子的柔性透明顯示器、以及基於石墨烯的片上光通訊鋪平道路」。

 

 


有趣的是,儘管石墨烯的溫度如此之高,但卻不會融化基板或金屬電極。這是因為,當石墨烯被加熱時,它的熱量不太能夠從本身傳導離開。

結果就是熱度被集中和限制在了細絲非常中間的地方,從而發出了強光。光譜測量發現,其峰值突破了人們的預期,這是由於發光長絲與矽基板反彈干涉而造成的。

不同於任何常見的燈絲,因為材質透明,所以這種現象只可能發生在石墨烯上。透過改變與基板之間的距離,研究人員就能夠調整其所發射的光譜。

石墨烯晶格(graphene lattice)也能夠非常高效地發光,由於其內在力量可以維持激發水平,並允許電子的自由流通。

也就是說,正如石墨烯可在上升狀態(elevated state)快速發射電子,它也可以在電加熱的情況下有效地釋放光子。

KRISS高級研究員Myung-Ho Bae表示,在最高溫度下,電子溫度比石墨烯晶格的聲學振動模式要高得多。這種獨特的熱特性,允許我們將懸浮石墨烯加熱至太陽一半的溫度,並使相對於固體基片的工作效率提升1000倍。

目前,研究人員正在設法改善這些光熱裝置,以便其能夠快速/通斷(產生0和1信號)並應用於光通訊。當然,他們還會探索將之納入柔性材料的方法。

這項研究的成果以發表在近期的《自然奈米技術》(Nature Nanotechnology)期刊上。