石墨烯：一切尽在掌握：研究团队展示量子材料的控制机制

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比勒费尔德大学的德米特里·图尔奇诺维奇教授博士是两位研究负责人之一。他研究了石墨烯如何在未来的电气工程应用中使用。照片：比勒费尔德大学/医学博士Müller 图片来源：比勒费尔德大学/M.-D.穆勒

摘要：
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。这种超薄材料只有一层原子层厚，其所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，人们对如何适当控制石墨烯的某些特性还缺乏了解。来自比勒费尔德和柏林的科学家团队以及德国和西班牙其他研究机构的研究人员进行的一项新研究正在改变这一现状。该团队的研究结果发表在《科学进展》杂志上。

石墨烯：一切受控制：研究团队演示了量子材料的控制机制

德国比勒费尔德 |发表于 9 年 2021 月 XNUMX 日

石墨烯由碳原子组成，是一种只有一个原子厚度的材料，其中原子排列成六方晶格。这种原子排列形成了石墨烯的独特性质：这种材料中的电子就像没有质量一样移动。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。

最近发现，石墨烯的高电子电导率和电子的“无质量”行为使得石墨烯能够改变通过它的电流的频率分量。该特性很大程度上取决于电流的强度。在现代电子学中，这种非线性包括电信号切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迄今为止所有电子材料中最强的。此外，它在极高的电子频率下工作得非常好，延伸到技术上重要的太赫兹（THz）范围，而大多数传统电子材料都无法做到这一点。

在他们的新研究中，来自德国和西班牙的研究人员团队证明，通过对材料施加相对适中的电压，可以非常有效地控制石墨烯的非线性。为此，研究人员制造了一种类似于晶体管的设备，可以通过一组电触点将控制电压施加到石墨烯上。然后，使用该设备传输超高频太赫兹信号：然后分析这些信号的传输和后续转换与所施加电压的关系。研究人员发现，石墨烯在一定电压下几乎变得完全透明——其通常强烈的非线性响应几乎消失。通过稍微增加或降低该临界值的电压，石墨烯可以转变为强非线性材料，显着改变传输和转发的太赫兹电子信号的强度和频率分量。

“这是在电信号处理和信号调制应用中实现石墨烯迈出的重要一步，”比勒费尔德大学物理学家、这项研究的负责人之一德米特里·图尔奇诺维奇教授说。 “之前我们已经证明石墨烯是迄今为止我们所知道的最非线性的功能材料。我们也了解非线性背后的物理原理，现在被称为石墨烯中超快电子传输的热力学图。但直到现在我们还不知道如何实现这一点。控制这种非线性，这是在日常技术中使用石墨烯时缺失的一环。”

“通过对石墨烯施加控制电压，我们能够改变材料中电子的数量，当电信号施加到石墨烯上时，这些电子可以自由移动，”图尔奇诺维奇教授博士团队的成员哈桑·A·哈菲兹博士解释道。比勒费尔德的实验室，也是该研究的主要作者之一。 “一方面，响应施加的电场而移动的电子越多，电流就越强，这应该会增强非线性。但另一方面，可用的自由电子越多，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上证明，通过施加仅几伏的相对较弱的外部电压，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、混频器和调制器等设备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，”光学研究所的 Michael Gensch 教授博士说。德国航空航天中心 (DLR) 和柏林工业大学的传感器系统公司是这项研究的另一位负责人。 “这非常重要，因为石墨烯与现有的电子超高频半导体技术（例如 CMOS 或 Bi-CMOS）完美兼容。因此，现在可以设想混合设备，其中使用现有的半导体技术以较低频率生成初始电信号但随后可以非常有效地在石墨烯中上变频至更高的太赫兹频率，所有这些都以完全可控和可预测的方式进行。”

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来自比勒费尔德大学、德国航天中心光学传感器系统研究所、柏林工业大学、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加泰罗尼亚纳米科学研究所的研究人员纳米技术（ICN2）和西班牙光子科学研究所（ICFO）参与了这项研究。

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联系方式：
比勒费尔德大学 Dmitry Turchinovich 教授、博士
49-521-106-5468

@uniaktuell

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