比勒菲尔德大学 当向石墨烯施加控制电压时，可以控制电流的频率转换
信用:朱尼克，德累斯顿，抄送 如何尽快传输或处理大量数据？其中一个关键可能是石墨烯
超薄材料只有一个原子层厚，其中包含的电子由于量子效应而具有非常特殊的性质
因此，它非常适合用于高性能电子元件
然而，到目前为止，对于如何适当地控制石墨烯的某些性质，还缺乏相关的知识
来自比勒菲尔德和柏林的科学家团队，以及来自德国和西班牙其他研究机构的研究人员的一项新研究正在改变这种情况
该小组的发现已经发表在《《科学进展》》杂志上
石墨烯由碳原子组成，是一种只有一个原子厚的材料，原子排列成六边形晶格
原子的这种排列方式导致了石墨烯的独特性质:这种材料中的电子会移动，就好像它们没有质量一样
电子的这种“无质量”行为导致石墨烯具有非常高的导电性，重要的是，这种特性在室温和环境条件下得以保持
因此，石墨烯对于现代电子应用来说可能非常有趣
最近人们发现，石墨烯电子的高电子电导率和“无质量”行为使得它能够改变流经它的电流的频率成分
这种特性高度依赖于电流的强度
在现代电子技术中，这种非线性包括电信号转换和处理的最基本功能之一
石墨烯的独特之处在于它的非线性是所有电子材料中最强的
此外，它非常适用于极高的电子频率，延伸到技术上重要的太赫兹范围，而大多数传统电子材料都无法达到这个范围
在他们的新研究中，来自德国和西班牙的研究团队证明了石墨烯的非线性可以通过向材料施加相对适中的电压来非常有效地控制
为此，研究人员制造了一种类似晶体管的器件，可以通过一组电触点向石墨烯施加控制电压
然后，使用该装置传输超高频太赫兹信号:然后分析这些信号的传输和随后的转换与所施加的电压的关系
研究人员发现，石墨烯在一定电压下几乎完全透明——它通常很强的非线性响应几乎消失了
通过稍微增加或降低该临界值的电压，石墨烯可以变成强非线性材料，显著改变传输和释放的太赫兹电子信号的强度和频率分量
“这是石墨烯在电信号处理和信号调制应用中实现的重要一步，”教授说
比勒费尔德大学的物理学家德米特里·图尔奇诺维奇是这项研究的负责人之一
“早些时候，我们已经证明石墨烯是我们所知的最非线性的功能材料
我们也理解非线性背后的物理，这就是现在所知的石墨烯中超快电子传输的热力学图像
但是直到现在，我们还不知道如何控制这种非线性，这是在日常技术中使用石墨烯所缺少的环节
" “通过对石墨烯施加控制电压，我们能够改变材料中的电子数量，当电信号施加到其上时，这些电子可以自由移动，”博士解释说
哈桑·阿
哈菲兹博士教授的成员
图尔奇诺维奇在比勒菲尔德的实验室，也是这项研究的主要作者之一
“一方面，响应外加电场的电子越多，电流就越强，这会增强非线性
但另一方面，自由电子越多，它们之间的相互作用就越强，这抑制了非线性
在这里，我们通过实验和理论证明，通过施加相对较弱的几伏外部电压，可以为石墨烯中最强的太赫兹非线性创造最佳条件
" “通过这项工作，我们在将石墨烯用作太赫兹频率转换器、混频器和调制器等器件中极其高效的非线性功能量子材料的道路上达到了一个重要的里程碑，”博士教授说
德国航空航天中心光学传感器系统研究所和柏林技术大学的迈克尔·根施是这项研究的另一位负责人
“这一点非常重要，因为石墨烯与现有的电子超高频半导体技术(如互补金属氧化物半导体或双互补金属氧化物半导体)完全兼容
因此，现在可以设想混合器件，其中使用现有的半导体或技术以较低的频率产生初始电信号，但是然后可以非常有效地在石墨烯中上转换到高得多的太赫兹频率，所有这些都以完全可控和可预测的方式进行
" 来自比勒菲尔德大学、德国航天中心光学传感器系统研究所、柏林理工大学、德累斯顿-罗森多夫亥姆霍兹中心、德国马克斯·普朗克聚合物研究所以及西班牙加泰罗尼亚纳米科学和纳米技术研究所(ICN2)和光子科学研究所(ICFO)的研究人员参与了这项研究
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