来源：全球石墨烯网

    石墨烯被认为是未来纳米电子学有希望的候选者。从理论上讲，它应该能让时钟频率比现在的硅基电子产品快一千倍。来自Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf(HZDR)和杜伊斯堡 - 埃森大学(UDE)的科学家与马克斯普朗克聚合物研究所(MPI-P)合作，首次证明了石墨烯可以将频率在千兆赫兹范围内的电子信号 - 与今天的时钟频率相对应 - 非常有效地转换成频率高几倍的信号。

    研究人员将他们的研究成果发表在科学杂志“Nature”(“Extremely efficient terahertz high harmonic generation in graphene by hot Dirac fermions”)上。

石墨烯将频率在千兆赫范围内的电子信号极其有效地转换为频率高几倍的信号。图片来源：Juniks /

    石墨烯 - 一种由单层互连碳原子组成的超薄材料 - 被认为是未来纳米电子学有希望的候选者。从理论上讲，它应该允许时钟速率比现在的硅基电子产品快一千倍。来自Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf(HZDR)和杜伊斯堡 - 埃森大学(UDE)的科学家与马克斯普朗克聚合物研究所(MPI-P)合作，现在首次证明了石墨烯可以将频率在千兆赫兹范围内的电子信号 - 与今天的时钟频率相对应 - 非常有效地转换成频率高几倍的信号。研究人员在科学杂志“Nature”上发表了他们的研究成果。

    今天的硅基电子元件以几百千兆赫兹(GHz)的时钟速率运行，也就是说，它们每秒切换数十亿次。电子工业目前正试图进入太赫兹(THz)范围，即时钟速率提高一千倍。一种有前途的材料和潜在的硅的替代品可以是石墨烯，因为石墨烯具有高导电性并且与所有现有的电子技术兼容。

    特别地，理论早已预测石墨烯可以是非常有效的“非线性”电子材料，即，能够非常有效地将所施加的振荡电磁场转换成具有更高频率的场的材料。然而，过去十年里，所有试图证明石墨烯的这种效应的实验都没有成功。

    “我们现在已经能够提供在石墨烯单层中从千兆赫到太赫兹的频率倍增的第一个直接证据，并以极高的效率产生太赫兹范围内的电子信号，”Michael Gensch博士解释说，他的团队开展超快物理研究并在HZDR操作新型TELBE太赫兹辐射源。不仅如此 - 由杜伊斯堡 - 埃森大学(UDE)实验物理学家Dmitry Turchinovich教授领导的他们的合作伙伴已经成功地使用基于热力学基本物理原理的简单模型来定量描述测量结果。

    凭借这一突破，研究人员正在为超快石墨烯纳米电子学铺平道路：“我们不仅能够首次实验性地展示石墨烯的长期预测效果，而且能够同时对其进行定量分析，”Dmitry Turchinovich教授强调说。“在我的实验室里，我们研究石墨烯电子非线性的基本物理机制已经几年了。然而，我们的光源不足以实际检测和量化倍频。为此，我们需要目前只能在TELBE可以实施的实验能力。”

    在一个技巧的帮助下，成功取得了人们期待已久的在石墨烯中产生高效太赫兹高次谐波的实验证明：研究人员使用了含有许多自由电子的石墨烯，这些自由电子来自石墨烯与沉积在其上的基板的相互作用，以及周围的空气。如果这些移动电子被振荡电场激发，它们就会快速地与石墨烯中的其他电子共享能量，石墨烯反应像加热的流体的一样：打个比方说，在石墨烯中，电子“液体”变成电子“蒸气”。

    从“液体”到“蒸气”的变相发生在万亿分之一秒内，并且导致石墨烯的电导率发生特别快速和强烈的变化。这是导致有效倍频的关键效应。

    科学家使用来自TELBE频率在300到680千兆赫之间的电磁脉冲，并在石墨烯中将它们转换成频率是初始频率的三倍，五倍和七倍电磁脉冲，即最后变频到太赫兹频率范围。

    “描述这种三次，五次和七次谐波频率产生效率的非线性系数非常高，”Turchinovich解释道。“因此，石墨烯可能是迄今为止已知的具有最强非线性的电子材料。测量值与我们的热力学模型的良好一致性表明我们也将能够用它来预测由石墨烯制成的超高速纳米电子器件的性能。”MPI-P主任Mischa Bonn教授也参与这项工作，他强调说：“我们的发现是开创性的。我们已经证明，碳基电子产品可以超快的速度高效运行。石墨烯和传统半导体制成的超快混合元件也是可以想象的。”

    该实验是使用位于HZDR的ELBE高功率辐射源中心的新型超导加速器TELBE太赫兹辐射源进行的。与典型的基于激光的太赫兹光源相比，它的脉冲频率高出一百倍，这使得研究石墨烯所需的测量精度成为可能。作为欧盟项目EUCALL的一部分，开发的数据处理方法允许研究人员实际使用每秒100,000个光脉冲中的每一个脉冲所采集的测量数据。

    “对我们来说，没有糟糕的数据，”Gensch说。“由于我们可以测量每一个脉冲，因此我们可以获得测量精度的数量级。在测量技术方面，我们正处于目前可行的极限。”该文章的第一作者是两位年轻科学家Hassan A. Hafez(UDE / MPI-P)和Sergey Kovalev(HZDR)。