2015/8/5 10:28:00
石墨烯LED的发光颜色取决于外加电压。红色和蓝色的图表示电子被激发到不同的能级，对应着不同的光子能量，因此发出不同颜色的光。
目前，所有发光二极管(LED)只发出一种颜色的光，由制备工艺决定的。到目前为止，改变单个LED的发光颜色从没实现过，尽管有许多的尝试。
在一项新的研究中，科学家们已证明LED不仅可被调整发出不同颜色的光，而且可几乎可包含整个可见光谱：从蓝色(450 nm波长)到红色(750 nm波长)，包含除了深蓝色和紫色的几乎所有颜色。这是一项很了不起的成果。
实现颜色可调LED的关键是由石墨烯材料制成，利用这种已在许多领域有多项突破的材料，从电池到太阳能电池再到半导体。尽管石墨烯在这些领域的应用很成功，但人们从未想到过石墨烯LED会成为首个石墨烯LED而且是第一个颜色可调的LED。
新型LED可用于电视和移动设备上的高质量颜色可调LED显示屏、灯具和一系列未来石墨烯光子设备。
由北京清华大学Tian-Ling Ren教授领导的研究人员，利用两种不同形式石墨烯的界面制备了光发射材料。这些材料分别是来自廉价石墨的氧化石墨烯(GO)，和氧化石墨烯更原始的形式，还原的氧化石墨烯(rGO)。
存在于GO和rGO界面处的是一种特殊类型的部分还原氧化石墨烯，其光学、物理和化学性质取决于在GO和rGO界面中的位置。界面层最重要的“混合”特性是存在一系列离散的能级，最终使LED可发出不同能量或不同颜色的光。
这种特性的出现特别有趣，无论是GO还是rGO(或其他任何形式的石墨烯)都不能发出任何光。因为这些材料都没有合适尺寸的“带隙”，带隙处于两个能带间，电子必须穿过带隙才能导电或发光。GO有非常宽的带隙，而rGO的带隙为零。
不是在GO和rGO界面某处存在着一种带隙，而是在混合时，部分氧化石墨烯界面存在着不同的中间带隙，不是平滑的过渡，而是rGO的纳米团簇嵌入到GO层。因为这些rGO纳米团簇在界面处有不同程度的还原，它们表现出不同能级的变化，结果影响了发光的颜色。这些能级可以很容易地通过改变外加电压或化学掺杂而改变，选择性地刺激单色发光，实现LED光的可调性。
“我们发现的GO与rGO的结合可以创建一种导电的宽带隙材料，”Ren教授对Phys.org说。“我们都知道石墨烯没有带隙。因此我们都惊讶于我们的GO和rGO界面(一个石墨烯系统)实际上可以发光。”
事实上，这是在石墨烯基系统中首次观察到的发光现象，使石墨烯有望作为未来石墨烯光子设备的光源。颜色可调LED被期待用于高质量LED显示屏和灯具。因为颜色变化对应某些化学物质，这些设备也可用于传感器应用。
“石墨烯颜色可调LED可实现柔性显示技术，并覆盖整个可见光谱，”Ren教授说。“传统LED只发出一种固定波长的光，因此显示技术需要混合红色、绿色和蓝色的LED。如果石墨烯颜色可调LED被使用，全彩和柔性显示可通过一种简单的方法实现。广大消费者们和医疗电子设备可从这项技术中获益。”
在他们的工作中，研究人员设计、制造并测试了二十种石墨烯LED。总体来说，设备显示了良好的亮度，但对于存在的低效率，他们打算改善。另一个缺点是很短的发射寿命，在空气中不足一分钟，在真空环境中大约两小时。研究人员认为氧化是低寿命的原因，并预测添加保护膜可以得到改善。
尽管有改进的空间，研究人员还期望石墨烯LED可利用其几个优势被推广到商业方面，优势包括其精确颜色可调性，结构紧凑性，和易制造性。
“石墨烯LED的效率可以进一步提升，”Ren教授说。“实现这一目标的途径之一是将n型半导体材料与石墨烯结合。短寿命可通过使用真空密封方法而提高。因为我们的方法是简单和低成本的，在几年内可能会实现商业化。与其他任何出自于实验室的技术一样，存在着挑战;然而，我们相信未来这些挑战都可以被克服。我们认为石墨烯颜色可调LED是实现柔性显示的一种很有前途的技术。”