【据nanotechweb网站10月6日报道】多年之前，就已经发现石墨烯及其衍生物会发出可见光和红外光，但相关机构对此并没有充分的依据。目前通过观察石墨烯场效应晶体管( FET)中的发光的物理位置，并测量对源极、漏极和栅极电压的影响，加拿大和塞尔维亚的研究人员现在将这种现象归因于二维量子Čerenkov（切伦科夫）效应。这一发现将更好地控制石墨烯的发光过程，为用新型石墨烯制造的光电器件打开大门。

Beltaos及其同事已经揭开了这个持续已久的秘密

国家纳米技术研究所和加拿大艾伯塔大学的研究人员Angela Beltaos说：“近年来,首先论证石墨烯电致发光的几篇论文（2010年的Essig等人，2014年的Beams等人）一直鼓舞着世人，他们表明可见光波长范围内石墨烯器件可以发光，这将对应用程序十分有益。事实上，这个领域相当新颖，前景很广，还有很多未解之谜。”

Beltaos提到的这些发现可不仅仅是细节，尽管石墨烯是近年来研究的焦点和热点，但材料中电驱动光的物理学仍然是神秘的。各种研究进程都已经用到了可见波长峰值，包括电致发光和加热“热点”，但研究人员仍然达成共识。加拿大和塞尔维亚的Beltaos及其同事在Nano Futures的写作表明，通过二维量子Čerenkov效应，热载体与表面等离子体激元的相互作用是最佳拟合观测机制。

发光研究

为了研究这种现象，Beltaos和她的团队从单层和少量纯石墨烯层样品中制作了场效应晶体管。二氧化硅衬底作为栅极介质，硅作为后栅电极，并以气相沉积膜作为源极和漏极。然后，研究人员对石墨烯薄片发射的光谱进行成像和测量，并变化装置上的电压。

研究人员发现，电压施加在石墨烯上的电极激发的发光是稳定和可重复的，并没有对材料造成损害。而实验后的扫描电子显微镜( SEM)图像表明，发射是在材料边缘、纳米粒子和缺陷上是一致的，包括在一个实验中，都故意使用电子束产生的特征。

发光现象图解

所有FET的测试都显示出在每个器件之间变化的波长处的发射光谱具有两个峰值。声子辅助电致发光将产生具有两个这样的峰的光谱，但是在特定的、具有独立于设备的能量下，就排除了在这种情况下的解释。观察到的光谱也排除了热发射作为光的原因，因为没有发现黑体或灰体光谱。

Beltaos和他的同事观察到，发射光的强度随载流子的数量密度而增加，这表明热载流子在某种程度上对这一过程产生影响。隧道诱导热致发光将在整个石墨烯片中产生一致的发射，但这与在光学图像中看到的局部效应不一致。

该团队发现的一个可以解释所有这些结果的机制—二维量子Čerenkov效应。该过程类似于传统的Čerenkov效应，其中通过电介质移动的带电粒子以比光的相位速度更快的速度发射光。

在Beltaos和她的团队调用的二维版本中，带电粒子由从源极和漏极注入到石墨烯中的热载流子来表示，由热载流子激发的表面等离子体表示所产生的Čerenkov辐射。像在海港墙上打破的海浪一样，这些等离子体从石墨烯的缺陷中散射出来，脱离耦合，并将能量作为可见光和红外光子发射出去。在发射光谱中看到的两个峰被解释为对应于石墨烯预测的双表面等离子体能量范围。

实验结论

接下来，研究人员打算通过额外的实验和理论工作进一步支持他们的结论，Beltaos解释说：“我们已经表明，量子Čerenkov效应与我们的结果是一致的，而石墨烯的可见光发射的其他理论不是，尽管将我们的结果与迄今提出的理论进行了比较，我们还不想排除未来理论的可能性。”

Beltaos继续说道：“我们的下一步是制造采用特殊设计的光栅的石墨烯器件。根据该理论，这会使得表面等离子体激元与光发射的可控和有效的外耦合。通过改变光栅参数，我们计划研究所得光发射的影响，并将观测值与理论预测进行比较。这一信息不仅对弄清石墨烯中的发光谜团非常重要，也将可能开创新型石墨烯领域的光电子学。”

文章来自nanotechweb，原文题目为Quantum Čerenkov effect makes graphene glow，由材料科技在线汇总整理。