科學家發現首個顏色可調的石墨烯發光二極管

【中鎢在線新聞網-鎢新聞】

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

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

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

實現顏色可調LED的關鍵是由石墨烯材料制成，利用這種已在許多領域有多項突破的材料，從電池到太陽能電池再到半導體。盡管石墨烯在這些領域的應用很成功，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的LED。

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

由北京清華大學Tian-Ling Ren教授領導的研究人員，利用兩種不同形式石墨烯的界面制備了光發射材料。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、物理和化學性質取決于在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可發出不同能量或不同顏色的光。

這種特性的出現特別有趣，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電或發光。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的納米團簇嵌入到GO層。因為這些rGO納米團簇在界面處有不同程度的還原，它們表現出不同能級的變化，結果影響了發光的顏色。這些能級可以很容易地通過改變外加電壓或化學摻雜而改變，選擇性地刺激單色發光，實現LED光的可調性。

“我們發現的GO與rGO的結合可以創建一種導電的寬帶隙材料，”Ren教授對Phys.org說。“我們都知道石墨烯沒有帶隙。因此我們都驚訝于我們的GO和rGO界面(一個石墨烯系統)實際上可以發光。”

事實上，這是在石墨烯基系統中首次觀察到的發光現象，使石墨烯有望作為未來石墨烯光子設備的光源。顏色可調LED被期待用于高質量LED顯示屏和燈具。因為顏色變化對應某些化學物質，這些設備也可用于傳感器應用。

“石墨烯顏色可調LED可實現柔性顯示技術，并覆蓋整個可見光譜，”Ren教授說。“傳統LED只發出一種固定波長的光，因此顯示技術需要混合紅色、綠色和藍色的LED。如果石墨烯顏色可調LED被使用，全彩和柔性顯示可通過一種簡單的方法實現。廣大消費者們和醫療電子設備可從這項技術中獲益。”

在他們的工作中，研究人員設計、制造并測試了二十種石墨烯LED。總體來說，設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射壽命，在空氣中不足一分鐘，在真空環境中大約兩小時。研究人員認為氧化是低壽命的原因，并預測添加保護膜可以得到改善。

盡管有改進的空間，研究人員還期望石墨烯LED可利用其幾個優勢被推廣到商業方面，優勢包括其精確顏色可調性，結構緊湊性，和易制造性。

“石墨烯LED的效率可以進一步提升，”Ren教授說。“實現這一目標的途徑之一是將n型半導體材料與石墨烯結合。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，在幾年內可能會實現商業化。與其他任何出自于實驗室的技術一樣，存在著挑戰；然而，我們相信未來這些挑戰都可以被克服。我們認為石墨烯顏色可調LED是實現柔性顯示的一種很有前途的技術。”

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