石墨烯：使納米電子器件時鐘頻率達太赫茲範圍！

近日，德國亥姆霍茲德累斯頓羅森多夫研究中心、杜伊斯堡-埃森大學以及馬普學會高聚物研究所的科學家們展開合作，首次演示了用石墨烯將吉赫茲頻率範圍內的電子信號，極高效地轉化為頻率高几倍的信號。

背景

石墨烯，具有單層碳原子構成的蜂窩狀結構，是世界上已知的最薄、最輕、最強的材料。它也被認為是未來納米電子學領域最有前景的材料之一。理論上，它應該能夠達到比當今的硅基電子器件快千倍的時鐘頻率（clock rates）。

（圖片來源：Tatiana Shepeleva/Shutterstock）

創新

近日，德國亥姆霍茲德累斯頓羅森多夫研究中心（HZDR）、杜伊斯堡-埃森大學（UDE）以及馬普學會高聚物研究所（MPI-P）的科學家們展開合作，首次演示了用石墨烯將吉赫茲頻率（相當於當今的時鐘頻率）範圍內的電子信號，極高效地轉化為頻率高几倍的信號。

（圖片來源：Juniks/HZDR）

研究人員將研究成果發表在科學期刊《自然》上。論文的第一作者是兩個青年科學家： Hassan A. Hafez (UDE/MPI-P) 和 Sergey Kovalev (HZDR)。

技術

如今，硅基電子元件工作的時鐘頻率在幾百吉赫茲（GHz），也就是說，它們每秒開關幾百萬次。目前，電子工業正在嘗試達到太赫茲（THz）範圍，換句話說，達到快千倍的時鐘頻率。

石墨烯是一種很有前景的材料，也是硅的潛在接替者。它不僅具有更高的導電性，而且兼容所有的現有電子技術。特別是，長期以來，理論預測石墨烯將會是一種非常高效的「非線性」電子材料，換句話說，是一種可以非常有效地將施加的振蕩電磁場轉化為更高頻率的場的材料。然而，過去十年來，所有企圖證明石墨烯中的這種效應的實驗努力都以失敗而告終。

Michael Gensch 博士的研究小組主導了超快速物理學研究，並操作了位於 HZDR 的新型 TELBE 太赫茲輻射源。不僅如此，他們的合作夥伴，在 UDE 實驗物理學家 Dmitry Turchinovich 教授的領導下，成功地採用基於熱力學基礎物理定律的簡單模型來定量描述測量結果。

通過實驗演示在石墨烯中產生高效的太赫茲高次諧波，一直是大家翹首以盼的。然而，這終於在研究人員們的努力下得以實現。研究人員們採用了如下的方法：他們採用含有許多自由電子的石墨烯，這些電子來自石墨烯與它所沉積的基質以及環境空氣之間的交互。如果這些移動電子通過一個振蕩電場激發，它們很快地就與石墨烯中的其他電子分享能量。石墨烯的反應就像受熱的流體：比方說，在石墨烯中，電子「液體」變成電子「蒸汽」。從「液體」到「蒸汽」的相變在萬億分之一秒內發生，並且引起石墨烯導電性發生特別快速與強大的變化。這是導致高效倍頻的關鍵效應。

科學家們採用來自TELBE頻率在（300 GHz~680 GHz）之間的電磁脈衝，並將它們在石墨烯中轉化為三倍、五倍、七倍於初始頻率的電磁脈衝，換句話說，將它們轉化到太赫茲頻率範圍。Dmitry Turchinovich 教授解釋說：「描述這種三次，五次和七次諧波頻率產生效率的非線性係數非常高。因此，石墨烯可能是目前為止具有最強非線性的電子材料。測量值與我們的熱力學模型之間的良好一致性表明，我們也能夠採用它預測由石墨烯製成的超高速納米電子器件的特性。」

（圖片來源：參考資料【2】）

（圖片來源：參考資料【2】）

實驗採用了位於HZDR的ELBE高功率輻射源中心的基於新型超導加速器的TELBE太赫茲輻射源。相比於基於激光的太赫茲光源，它的脈衝頻率高出百倍，從而可以達到研究石墨烯所需的測量精度。作為歐盟項目EUCALL的一部分，研究人員開發出的數據處理方法讓他們可以實際使用每次每秒10萬個脈衝中每一個脈衝所獲取的測量數據。

Gensch 表示：「對於我們來說，沒有壞的數據。因為我們可以測量每一個脈衝，所以我們能獲取到達幾個數量級的測量精度。就測量技術而言，我們達到了目前所能達到的極限。」

價值

這項研究的參與者之一、MPI-P 主任教授 Mischa Bonn 強調：「我們的探索是開創性的。我們證明了碳基電子器件能在超快時鐘頻率下極高效地運作。由石墨烯和傳統半導體器件製成的超快混合元件也是可以構想的。」

憑藉這一突破，研究人員正為超高速石墨烯基納米電子器件鋪平了道路。Turchinovich 教授強調：「我們不僅首次通過實驗展示了石墨烯中的長期預測效果，而且與此同時定量地理解了它。在我的實驗室中，我們已經花了幾年時間在研究石墨烯電子非線性的基本物理機制。然而，我們的光源不足以實際上乾淨清楚地檢測和量化倍頻。因此，我們需要只有TELBE 設施才具備的實驗能力。」

關鍵字

石墨烯、電子、太赫茲

參考資料

【1】https://www.hzdr.de/db/Cms?pNid=99&pOid=56780

【2】Hassan A. Hafez, Sergey Kovalev, Jan-Christoph Deinert, Zoltán Mics, Bertram Green, Nilesh Awari, Min Chen, Semyon Germanskiy, Ulf Lehnert, Jochen Teichert, Zhe Wang, Klaas-Jan Tielrooij, Zhaoyang Liu, Zongping Chen, Akimitsu Narita, Klaus Müllen, Mischa Bonn, Michael Gensch, Dmitry Turchinovich.Extremely efficient terahertz high-harmonic generation in graphene by hot Dirac fermions. Nature, 2018; DOI: 10.1038/s41586-018-0508-1

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