晶体管式器件控制石墨烯的电子特性

当控制电压应用于石墨烯时，电流的频率转换可以被控制。Juniks, Dresden, CC-BY供图。

德国和西班牙的研究人员发明了一种晶体管式器件，它使用小电压来控制通过石墨烯传输的电子信号的强度和频率。这项研究在《Science Advances》中有详细的描述，它标志着石墨烯在太赫兹频率转换器、混频和调制器等电子器件应用中重大的进步。石墨烯，一种类似蜂窝的碳晶格结构，只有一原子层厚，它有几个独特的电子特性。其中许多源于这样一个材料特性，即它是一个半金属材料，其原子的价带和导带之间没有禁带。在这两个能带相交的区域，石墨烯电荷载体（电子和孔穴）的能量和动量之间的关系由Dirac方程来描述，而不是应用像大多数晶体材料那样标准的薛定谔方程。

高的电子导电性和无质量特征

这些不寻常的带隙结构（称为Dirac圆锥体）的存在使石墨烯中的电荷载体能够像无质量粒子一样运行。这种有效的无质量特性使石墨烯中的电子具有很高的迁移率，室温下高达20万平方厘米/Vs，而硅中只有约1400 cm2/Vs。如此高的迁移率意味着石墨烯晶体管和其它电子器件可能比当今任何电子器件都更快、更节能。研究人员最近发现，当电流（或光波）穿过石墨烯时，材料的高电子电导率及其电子的有效无质量特性改变了电流的频率。这种非线性行为是现代电子器件中最基本的功能之一，这对转换和处理电信号至关重要。比勒费尔德大学（Bielefeld University）的Dmitry Turchinovich指出，石墨烯的非线性是迄今为止所有电子材料中最强的，Dmitry Turchinovich与德国航空航天中心（DLR）光学传感器系统研究所和柏林技术大学（Technical University of Berlin）的Michael Gensch共同主持了这项新的研究。即使在高频率下，该材料也保持高度非线性，可以延伸到大多数传统电子材料无法达到的重要的太赫兹（THz）范围。

严格控制

虽然这种行为对于将石墨烯集成到电子器件中很重要，但研究人员需要能够首先控制它。Gensch, Turchinovich及其同事已经证明，这种控制是可能的。在新的工作中，他们制造了一个晶体管状的器件，通过电学接触可以施加门（控制）电压。然后，他们使用该器件传输超高频THz信号，并分析了这些信号的频率以及濒率与施加电压的函数关系。在一定的施加电压下，研究人员观察到石墨烯通常强烈的非线性效应几乎消失了。通过从这个临界值稍微增加或降低控制电压几伏特，他们发现他们可以使材料再次发生强烈的非线性效应。一旦他们确定了最佳的门控电压，他们展示可以改变传输和重新发射的太赫兹电子信号的强度和频率高达两个数量级。

缺失环节

Turchinovich说，能够以如此简单的方式控制石墨烯的非线性是将这种材料用于电信号处理和信号调制应用的"缺失环节"。Gensch 补充说："通过这项工作，我们在使用石墨烯作为太赫兹频率转换器、混频器和调制器等器件中非常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。"Gensch接着解释说，石墨烯也与现有的电子超高频半导体技术（如CMOS或双极CMOS）完全兼容。因此，可以设想使用现有半导体技术以较低频率生成初始电信号的混合器件，然后使用石墨烯非常高效地向上转换为更高的太赫兹频率，所有这些频率都是完全可控和可预测的。该小组还包括来自德累斯顿-罗森多夫赫尔姆霍尔茨中心（Helmholtz Center Dresden-Rossendorf）、马克斯普朗克聚合物研究所（Max Planck Institute for Polymer Research）和德国杜伊斯堡-埃森大学（University of Duisburg-Essen in Germany）以及加泰罗尼亚纳米科学和纳米技术研究所（Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology ，ICN2）和西班牙光子科学研究所（Institute of Photonic Sciences ，ICFO）的研究人员。他们说他们正在将石墨烯整合到SiGe HBT/Bi-CMOS芯片技术。