在一個(gè)簡(jiǎn)單的電子設(shè)備中產(chǎn)生、放大、混合和調(diào)制聲音的能力將打開(kāi)聲學(xué)的新世界。在這里，我們展示了如何構(gòu)建這樣的設(shè)備。它通過(guò)石墨烯中的焦耳熱產(chǎn)生熱聲聲音。通過(guò)控制流經(jīng)石墨烯的電流的成分和流動(dòng)，可以產(chǎn)生豐富的聲音調(diào)色板。這包括混頻（外差），其完全由焦耳機(jī)制產(chǎn)生。它還包括通過(guò)直流電流對(duì)聲譜進(jìn)行整形并使用晶體管門調(diào)制其幅度。我們證明，特定的聲音是非線性的指標(biāo)，可用于量化對(duì)傳導(dǎo)的非線性貢獻(xiàn)。從我們的工作中，我們期望看到聲學(xué)在計(jì)量、傳感和信號(hào)處理中的新用途。加上石墨烯的光學(xué)特性，其聲學(xué)能力應(yīng)該會(huì)激發(fā)第一個(gè)組合視聽(tīng)納米技術(shù)的開(kāi)發(fā)。
圖 1.熱聲產(chǎn)生。 (a) 由不同頻率和幅度的兩個(gè)電流源（左）產(chǎn)生的聲譜（右）。這在底部插圖中示意性地顯示。指示聲音分量的頻率和相對(duì)幅度。 （每個(gè)頻率的功率通過(guò)將相對(duì)幅度乘以 R/2 得出）。外差（青色）僅在兩個(gè)源都存在時(shí)才存在。頂部插圖顯示了晶體管，其中包括電極（金色）、6 毫米方形單層石墨烯（灰色）、基板（藍(lán)色）以及電極和柵極的電連接（黑色）。 (b) 背柵石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管中對(duì)交流偏置電壓 V（黑色）的聲學(xué)響應(yīng)（藍(lán)色）。頻率為 fA,B 的單個(gè)源會(huì)引起二次諧波 2fA,B 的響應(yīng)。 (c) 兩個(gè)頻率源一起應(yīng)用不僅會(huì)產(chǎn)生二次諧波響應(yīng)，還會(huì)產(chǎn)生 fA+B = 19 kHz 處的總外差頻率。
圖 2. 二次諧波的產(chǎn)生。 (a) 一系列設(shè)備的聲壓譜（在 r = 50 mm 處測(cè)量）。底部藍(lán)色組是四個(gè)背柵 FET 的光譜。頂部紅色組是沉積電解質(zhì)之前四個(gè)頂部柵極器件的光譜。中間綠色組是電解質(zhì)沉積后兩個(gè)頂柵 FET 的光譜。不同的線路類型指定組內(nèi)的設(shè)備數(shù)據(jù)。在所有情況下，Vg = 0。方程 (1) 的預(yù)期相關(guān)性顯示為與數(shù)據(jù)顏色相同的虛線。
指示性聲壓級(jí) 20log(δprf/δpref)，其中 δpref = 20 μ Pa m kHz−1，顯示為水平虛線。 (b) 源功率為 3.4 W 的背柵 FET 的聲壓與逆器件麥克風(fēng)分離的函數(shù)關(guān)系。聲壓在 20-50 kHz 頻率范圍內(nèi)進(jìn)行平均。 (c)（上）在兩個(gè)背柵 FET（通過(guò)顏色區(qū)分）中測(cè)量并計(jì)算（線）器件溫度作為源功率的函數(shù)。 （下）相同設(shè)備在 f2 = 40 kHz 時(shí)的聲壓（在 r = 50 mm 處測(cè)量）。實(shí)線是等式(1) 的預(yù)期相關(guān)性。
圖 3. 一次諧波產(chǎn)生的偏置控制。 (a) 在源頻率的第一（藍(lán)色）和第二（綠色）諧波處測(cè)量的聲壓，作為背柵 FET 上直流偏置的函數(shù)。聲壓值在頻率范圍 fi = 38–42 kHz, i = 1, 2 上取平均值。實(shí)線是一次諧波數(shù)據(jù)的線性擬合；虛線為 <δp> = 8μPa。所有測(cè)量的 P2 均固定為 0.1 W。 (b) f = 12 kHz 時(shí)作為交流和直流偏置函數(shù)的一次諧波。二次諧波聲音隨 Vac 呈二次方增加：黃色符號(hào)表示實(shí)驗(yàn)上 δp1 = δp2。 (c) 第一諧波（f1 = 12 kHz 時(shí)的黑色；f1 = 15 kHz 時(shí)的紅色）和第二諧波（綠色）的相位作為直流偏置的函數(shù)。 (d) 通過(guò)降低直流偏壓創(chuàng)建的平坦一次諧波聲譜（實(shí)線）示例為 Vdc = Vref(fref/f)，其中在 fref = 1 kHz 時(shí) Vref = 10 V。交流偏置固定為 10 V。所施加的直流偏置以與聲譜相對(duì)應(yīng)的顏色的虛線顯示（以伏特為單位），已將其歸一化為 Vref 以進(jìn)行比較。
圖 4. 外差。 (a) 聲學(xué)差外差 |fA−fB| = 16 kHz，作為源 A 的交流偏置幅度的函數(shù)。源 B 的固定幅度等于 A 的最大值。不同的顏色對(duì)應(yīng)于不同的源 A 頻率：fA = 1 kHz（黑色）、10 kHz（紅色） ）和 100 kHz（藍(lán)色）。綠色虛線曲線顯示 fA = 8 kHz。 (b) 零差聲音生成作為 A 和 B 之間相移 θ 的函數(shù)：fA,B = 5 kHz（黑色）和 10 kHz（藍(lán)色）。 A 和 B 之間的相移如下圖所示。
圖 5. 使用場(chǎng)效應(yīng)晶體管的聲門。 (a,b) 背柵 FET。電導(dǎo) (a) 以及第一（綠色實(shí)心）和第二（藍(lán)色實(shí)心）諧波 (b) 作為背柵電壓的函數(shù)。功率歸一化聲壓顯示為虛線：δprfP 的單位為 μ Pa m kHz−1W−1。 (c,d) 頂柵 FET。對(duì)于 0.05 W（黑/綠）至 0.5 W（紅/藍(lán)）的不同電源功率，在 f1 = 18 kHz 下測(cè)得的電導(dǎo) (c) 和二次諧波 (d) 與頂柵電壓的函數(shù)關(guān)系。正文中描述的聲音的“開(kāi)”/“關(guān)”狀態(tài)分別由藍(lán)色/紅色陰影區(qū)域表示。
圖 6. 三次諧波產(chǎn)生。（a）浸沒(méi)在液氦中的背柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 的柵極電壓與二次微分電阻的關(guān)系（T = 4.2 K）。曲線顏色范圍從 P = 0.007 W 時(shí)的綠色到 P = 0.7 W 時(shí)的藍(lán)色（不等步長(zhǎng)）。（b）f2 時(shí)器件兩端的電壓降與交流偏置的關(guān)系。數(shù)據(jù)（符號(hào)）取自 a 中相同顏色箭頭指示的柵極電壓；虛線表示預(yù)期的 Iac 2 依賴性。（c）P = 0.7 W 環(huán)境條件下的 R2(Vg)，以及同時(shí)測(cè)量的電流歸一化三次諧波聲壓 p I = p /(I /2) 3 3 ac 3（在 f3 = 42 kHz 和 r = 25 mm 時(shí)測(cè)量）。μPamkHz−1A−3。 (d) δp2 與直流偏置的關(guān)系，歸一化為 Vdc = 0 時(shí)的值。四種交流偏置下的曲線：10 V（黑色）、20 V（紅色）、30 V（綠色）和 40 V（藍(lán)色）。(e) 第一、第二和第三諧波聲壓與交流偏置的關(guān)系。每個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)都是頻率范圍 10 < f < 14 kHz 和直流偏置 −34 < Vdc < +34 V 的平均值。虛線是預(yù)測(cè)的 I n 交流依賴性：n = 1（藍(lán)色）、n = 2（綠色）和 n = 3（紅色）。 μPamkHz−1 −1A2−n。
相關(guān)科研成果由埃克塞特大學(xué)D. W. Horsell等人于2024年發(fā)表在Scientific Reports（https://doi.org/10.1038/s41598-017-01467-z）上。原文：Multi-frequency sound production and mixing in graphene
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41598-017-01467-z
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
