[论文解读] Ultrafast Graphene Light Emitter

Young Duck Kim, Yuanda Gao+18 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2017

Thermal Radiation and Cooling Technologies被引用 4

一句话总结

该论文展示了在可见光至近红外光谱范围内，电驱动的超快石墨烯发光器调制带宽高达10 GHz，其原理是利用超快载流子动力学和弱电子-声子耦合。六方氮化硼（hBN）封装通过调节局域态密度，使发光增强高达460%，从而在环境条件下实现稳定、明亮的可见光辐射，电子温度达2,000 K。

ABSTRACT

Ultrafast electrically driven nanoscale light sources are critical components in nanophotonics. Compound semiconductor-based light sources for the nanophotonic platforms have been extensively investigated over the past decades. However, monolithic ultrafast light sources with a small footprint remain a challenge. Here, we demonstrate electrically driven ultrafast graphene light emitters that achieve light pulse generation with up to 10 GHz bandwidth, across a broad spectral range from the visible to the near-infrared. The fast response results from ultrafast charge carrier dynamics in graphene, and weak electron-acoustic phonon-mediated coupling between the electronic and lattice degrees of freedom. We also find that encapsulating graphene with hexagonal boron nitride (hBN) layers strongly modifies the emission spectrum by changing the local optical density of states, thus providing up to 460 % enhancement compared to the grey-body thermal radiation for a broad peak centered at 720 nm. Furthermore, the hBN encapsulation layers permit stable and bright visible thermal radiation with electronic temperatures up to 2,000 K under ambient conditions, as well as efficient ultrafast electronic cooling via near-field coupling to hybrid polaritonic modes. These high-speed graphene light emitters provide a promising path for on-chip light sources for optical communications and other optoelectronic applications.

研究动机与目标

• 开发用于片上光子集成的紧凑型、电驱动纳米级光源。
• 克服化合物半导体在实现单片集成、超快响应和小尺寸光源方面的局限性。
• 利用石墨烯的超快载流子动力学实现高带宽光学发射。
• 通过六方氮化硼（hBN）封装工程化发射光谱，以增强光提取效率和稳定性。

提出的方法

• 采用机械剥离石墨烯在hBN衬底上制备电驱动石墨烯光子器件。
• 利用石墨烯中的超快载流子动力学，实现亚皮秒响应时间和高调制带宽。
• hBN封装通过调节局域光学态密度，实现光子工程增强发光。
• 通过近场耦合至混合极化子模式，实现高效的电子冷却和热稳定性。
• 利用宽带光谱测量，在可见光至近红外波段范围内表征发射光谱。
• 通过受控的电注入，在环境条件下实现并维持高达2,000 K的电子温度。

实验结果

研究问题

• RQ1 石墨烯基发光器能否实现适用于高速光通信的超快调制带宽？
• RQ2 hBN封装如何影响石墨烯发光器的发射光谱和效率？
• RQ3 在环境条件下，石墨烯在无退化的情况下能维持多高的电子温度？
• RQ4 近场耦合至极化子模式能否实现高效冷却并增强发射强度？
• RQ5 通过hBN光子工程，石墨烯的发射增强最大可达到多少？

主要发现

• 石墨烯发光器实现了高达10 GHz的调制带宽，支持超快光信号传输。
• 发光覆盖可见光至近红外光谱，波长范围为400–1000 nm。
• 与灰体热辐射相比，hBN封装使发光强度最高增强460%。
• 由于局域光学态密度的改变，观测到中心波长为720 nm的宽发射峰。
• 在环境条件下，电子温度高达2,000 K时，仍能维持稳定且明亮的可见光热辐射。
• 近场耦合至混合极化子模式可实现高效电子冷却，提升器件稳定性和性能。