清华大学首次揭示光谱可调变的新型石墨烯发光器件

近日，清华大学微电子所任天令教授课题组在《自然-通讯》 (Nature Communications)上在线发表了题为《光谱可调的柔性全石墨烯基场控发光器件》(“A spectrally tunable all-graphene-based flexible field-effect light-emitting device”)的研究论文，首次揭示了可通过电压调控发光波长的发光器件。不同于传统固定波长的LED，这一新型器件的发光波长(在单一器件内)可以在750nm至450nm之间连续可调，突破了现有显示器件的颜色合成方式，有望对当代显示、照明和通讯技术产生革命性影响。耶鲁大学博士后王肖沐和清华大学微纳电子系博士毕业生田禾是文章的共同第一作者，清华大学微纳电子系任天令教授是论文的通讯作者。

通过栅极电压调控发光波长的光谱图

迄今为止，所有的LED器件中，发光颜色/波长均由发光材料决定。对于现有的LED而言，一旦器件制备完成，其发光波长是固定的。传统显示或照明技术通过调整几种固定颜色(典型器件使用红、绿、蓝三基色)发光单元的亮度，来实现颜色的表示或白光的合成。该文章首次报道的波长/色彩可调的LED，在获得优异的颜色保真度的同时，还可以使得显示器件内的发光单元数目显著减小，从而极大地优化驱动电路并降低功耗，这项成果在相关领域具有深远的意义。论文的审稿人评价道，“这项工作有望在发光器件领域拓展新的研究方向”、“这项工作令人激动人心且具有影响力”。

通过栅极电压调控发光波长的机制图

石墨烯材料，具有独特的物理性质，在可控光子/光电子器件等课题中被广泛应用。但由于其零带隙和非发光复合率高的特性，石墨烯基发光器件是学术界的一个难题和长期空白领域。任天令教授课题组创新性的通过激光直写技术，在氧化石墨烯和还原石墨烯的界面处获得了半还原态的srGO材料。该材料兼备石墨烯的高导电性和氧化石墨烯的宽带隙特征。通过构建面内栅极结构，对栅极施加电压可以调制srGO的费米能级，从而实时调控石墨烯LED发光的中心波长。该LED还具有亮度高和可制成柔性器件的特点，是现代LED显示、照明和通信技术的理想元件。

近年来，任天令教授致力于石墨烯等二维电子器件的研究，尤其关注突破传统器件限制的新型器件，为新一代微纳电子器件技术奠定基础，在新型石墨烯基存储器、声学器件和传感器件等方面已获得了多项创新成果，如柔性透明石墨烯耳机和低功耗石墨烯阻变存储器。该研究成果得到了国家自然基金重点项目支持。

论文链接：A spectrally tunable all-graphene-based flexible field-effect light-emitting device