基于刻蚀-沉淀法芯片直生长石墨烯的热光源器件研究

本研究针对传统石墨烯光发射器需转移工艺导致的低产率问题，开发了无需转移的刻蚀-沉淀法（etching-precipitation method），直接在石英芯片上生长多层石墨烯并构建热光发射器。该器件通过焦耳加热（Joule heating）形成热点，实现红外与可见光发射，且缺陷自修复特性赋予其长期稳定性，为片上集成光源提供了新方案。

　　

石墨烯因其独特的电学、光学和热学性质，被视为下一代光电器件的理想材料。尤其在片上纳米光源领域，石墨烯的黑体辐射特性（blackbody radiation）展现出高亮度、快速调制（>1 GHz）等优势。然而，现有技术依赖机械剥离（mechanically exfoliated）或化学气相沉积（CVD）石墨烯，必须通过复杂的湿法转移工艺将其从金属基底（如Cu/Ni）转移到目标芯片，导致产率低下且材料质量受损。这一瓶颈严重制约了石墨烯光源的规模化应用。

为解决这一问题，日本物质材料研究机构（NIMS）的研究团队提出了一种革新性方案——刻蚀-沉淀法。该方法通过在600–650°C低温下直接于石英基底上生长多层石墨烯，完全规避了转移步骤。研究团队利用Fe-C薄膜作为碳源，通入Cl₂
气体刻蚀铁催化剂，使过饱和碳析出形成石墨烯。这种干法工艺不仅实现了大面积均匀生长，还能通过调节参数控制石墨烯层数与电阻率。基于此制备的蝴蝶结状收缩结构（bowtie-shaped constriction）器件，在焦耳加热作用下形成局部热点，观测到稳定的红外（IR）和可见光发射。拉曼光谱证实，热点区域的石墨烯因高温退火效应发生缺陷自修复（defect healing），显著提升了器件寿命。此外，团队还展示了高速切换的二维集成光源阵列，为微纳光子集成电路提供了新可能。

关键技术方法

1. 刻蚀-沉淀法生长：在石英基底沉积Fe-C薄膜，Cl₂
   气体刻蚀铁催化剂并析出多层石墨烯；
2. 器件加工：通过光刻与刻蚀制备蝴蝶结状收缩结构；
3. 性能表征：结合电学测试、红外成像和拉曼光谱分析光发射机制与材料演变；
4. 阵列集成：利用大面积均匀生长优势构建二维光源阵列。

研究结果

1. 器件设计与表征：蝴蝶结结构有效集中电流密度，形成温度梯度达2000 K的热点，实现宽谱光发射；
2. 缺陷修复效应：拉曼D峰减弱表明焦耳加热诱导的碳原子重排修复了晶格缺陷；
3. 稳定性验证：连续工作100小时后光强衰减<5%，远优于传统转移石墨烯器件；
4. 阵列性能：集成器件展示出均一辐射强度与纳秒级响应速度。

结论与意义
该研究突破了石墨烯光源的转移工艺桎梏，通过刻蚀-沉淀法实现了芯片直生长与器件一体化加工。热点区域的缺陷自修复机制为高性能光电器件设计提供了新思路，而可扩展的阵列化技术更推动了其在光互连、传感等领域的应用。论文发表于《Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications》，为碳基片上光源的工业化铺平了道路。