在一个简单的电子设备中产生、放大、混合和调制声音的能力将打开声学的新世界。在这里，我们展示了如何构建这样的设备。它通过石墨烯中的焦耳热产生热声声音。通过控制流经石墨烯的电流的成分和流动，可以产生丰富的声音调色板。这包括混频（外差），其完全由焦耳机制产生。它还包括通过直流电流对声谱进行整形并使用晶体管门调制其幅度。我们证明，特定的声音是非线性的指标，可用于量化对传导的非线性贡献。从我们的工作中，我们期望看到声学在计量、传感和信号处理中的新用途。加上石墨烯的光学特性，其声学能力应该会激发第一个组合视听纳米技术的开发。
图 1.热声产生。(a) 由不同频率和幅度的两个电流源（左）产生的声谱（右）。这在底部插图中示意性地显示。指示声音分量的频率和相对幅度。（每个频率的功率通过将相对幅度乘以 R/2 得出）。外差（青色）仅在两个源都存在时才存在。顶部插图显示了晶体管，其中包括电极（金色）、6 毫米方形单层石墨烯（灰色）、基板（蓝色）以及电极和栅极的电连接（黑色）。(b) 背栅石墨烯场效应晶体管中对交流偏置电压 V（黑色）的声学响应（蓝色）。频率为 fA,B 的单个源会引起二次谐波 2fA,B 的响应。(c) 两个频率源一起应用不仅会产生二次谐波响应，还会产生 fA+B = 19 kHz 处的总外差频率。
图 2. 二次谐波的产生。(a) 一系列设备的声压谱（在 r = 50 mm 处测量）。底部蓝色组是四个背栅 FET 的光谱。顶部红色组是沉积电解质之前四个顶部栅极器件的光谱。中间绿色组是电解质沉积后两个顶栅 FET 的光谱。不同的线路类型指定组内的设备数据。在所有情况下，Vg = 0。方程 (1) 的预期相关性显示为与数据颜色相同的虚线。指示性声压级 20log(δprf/δpref)，其中 δpref = 20 μ Pa m kHz−1，显示为水平虚线。(b) 源功率为 3.4 W 的背栅 FET 的声压与逆器件麦克风分离的函数关系。声压在 20-50 kHz 频率范围内进行平均。(c)（上）在两个背栅 FET（通过颜色区分）中测量并计算（线）器件温度作为源功率的函数。（下）相同设备在 f2 = 40 kHz 时的声压（在 r = 50 mm 处测量）。实线是等式(1) 的预期相关性。
图 3. 一次谐波产生的偏置控制。(a) 在源频率的第一（蓝色）和第二（绿色）谐波处测量的声压，作为背栅 FET 上直流偏置的函数。声压值在频率范围 fi = 38–42 kHz, i = 1, 2 上取平均值。实线是一次谐波数据的线性拟合；虚线为 <δp> = 8μPa。所有测量的 P2 均固定为 0.1 W。(b) f = 12 kHz 时作为交流和直流偏置函数的一次谐波。二次谐波声音随 Vac 呈二次方增加：黄色符号表示实验上 δp1 = δp2。(c) 第一谐波（f1 = 12 kHz 时的黑色；f1 = 15 kHz 时的红色）和第二谐波（绿色）的相位作为直流偏置的函数。(d) 通过降低直流偏压创建的平坦一次谐波声谱（实线）示例为 Vdc = Vref(fref/f)，其中在 fref = 1 kHz 时 Vref = 10 V。交流偏置固定为 10 V。所施加的直流偏置以与声谱相对应的颜色的虚线显示（以伏特为单位），已将其归一化为 Vref 以进行比较。
图 4. 外差。(a) 声学差外差 |fA−fB| = 16 kHz，作为源 A 的交流偏置幅度的函数。源 B 的固定幅度等于 A 的最大值。不同的颜色对应于不同的源 A 频率：fA = 1 kHz（黑色）、10 kHz（红色） ）和 100 kHz（蓝色）。绿色虚线曲线显示 fA = 8 kHz。(b) 零差声音生成作为 A 和 B 之间相移 θ 的函数：fA,B = 5 kHz（黑色）和 10 kHz（蓝色）。A 和 B 之间的相移如下图所示。
图 5. 使用场效应晶体管的声门。(a,b) 背栅 FET。电导 (a) 以及第一（绿色实心）和第二（蓝色实心）谐波 (b) 作为背栅电压的函数。功率归一化声压显示为虚线：δprfP 的单位为 μ Pa m kHz−1W−1。(c,d) 顶栅 FET。对于 0.05 W（黑/绿）至 0.5 W（红/蓝）的不同电源功率，在 f1 = 18 kHz 下测得的电导 (c) 和二次谐波 (d) 与顶栅电压的函数关系。正文中描述的声音的“开”/“关”状态分别由蓝色/红色阴影区域表示。
图 6. 三次谐波产生。（a）浸没在液氦中的背栅场效应晶体管 (FET) 的栅极电压与二次微分电阻的关系（T = 4.2 K）。曲线颜色范围从 P = 0.007 W 时的绿色到 P = 0.7 W 时的蓝色（不等步长）。（b）f2 时器件两端的电压降与交流偏置的关系。数据（符号）取自 a 中相同颜色箭头指示的栅极电压；虚线表示预期的 Iac 2 依赖性。（c）P = 0.7 W 环境条件下的 R2(Vg)，以及同时测量的电流归一化三次谐波声压 p I = p /(I /2) 3 3 ac 3（在 f3 = 42 kHz 和 r = 25 mm 时测量）。μPamkHz−1A−3。(d) δp2 与直流偏置的关系，归一化为 Vdc = 0 时的值。四种交流偏置下的曲线：10 V（黑色）、20 V（红色）、30 V（绿色）和 40 V（蓝色）。(e) 第一、第二和第三谐波声压与交流偏置的关系。每个基准点都是频率范围 10 < f < 14 kHz 和直流偏置 −34 < Vdc < +34 V 的平均值。虚线是预测的 I n 交流依赖性：n = 1（蓝色）、n = 2（绿色）和 n = 3（红色）。μPamkHz−1 −1A2−n。
相关科研成果由埃克塞特大学D. W. Horsell等人于2024年发表在Scientific Reports上。
原文：Multi-frequency sound production and mixing in graphene
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41598-017-01467-z
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