Skru ned for støjen i grafen

(PhysOrg.com) -- Grafen er et todimensionelt krystallinsk ark af kulstofatomer - hvilket betyder, at det kun er et atom tykt - hvorigennem elektroner kan racere med næsten lysets hastighed - 100 gange hurtigere, end de kan bevæge sig gennem silicium. Dette plus grafen's utrolige fleksibilitet og mekaniske styrke gør materialet til en potentiel superstjerne for elektronikindustrien. Imidlertid, der henviser til, at de bedste elektroniske materialer har et stærkt signal og svag baggrundsstøj, at opnå dette høje signal-til-støj-forhold har været en udfordring for både enkelt- og tolags grafen, især når den placeres på et substrat af silica eller et andet dielektrikum. Et af problemerne for enhedsudviklere har været manglen på en god grafen-støjmodel.

Arbejder med de unikke nanovidenskabelige muligheder i Molecular Foundry ved det amerikanske energiministerium (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory, et multi-institutionelt team af forskere har udviklet den første model af signal-til-støj-forhold for lavfrekvent støj i grafen på silica. Deres resultater viser støjmønstre, der kører lige det modsatte af støjmønstre i andre elektroniske materialer.

Berkeley Labs materialeforsker Yuegang Zhang ledede en undersøgelse, hvor det blev fastslået, at for grafen på silica, baggrundssignalstøjen er minimal nær det område i grafenet, hvor elektrontætheden af ​​tilstande (antallet af energitilstande, der er tilgængelige for hver elektron) er lavest. For halvledere, såsom silicium, i det område, hvor elektrontæthedstilstande er lave, er baggrundsstøjen på sit højeste. Imidlertid, der var tydelige forskelle i støjmønstrene for enkelt- og tolagsgrafen.

"I dette arbejde, vi præsenterer fire-probes lavfrekvente støjkarakteristika i enkelt- og tolags grafenprøver, ved hjælp af en back-gated enhedsstruktur, der hjælper med at forenkle fysikken i forståelsen af ​​interaktionerne mellem grafen og silicasubstratet, " siger Zhang. "For enkeltlags grafen fandt vi ud af, at støjen blev reduceret enten tæt på eller langt væk fra den laveste elektrontæthed af tilstande, nogle gange omtalt som Dirac-punktet for grafen, danner et M-formet mønster. For to-lags grafen, vi fandt en lignende støjreduktion nær Dirac-punktet, men en stigning væk fra det punkt, danner et V-formet mønster. Støjdataene nær Dirac-punktet korrelerede med rumlig ladningsinhomogenitet."

Resultaterne af denne forskning er rapporteret i tidsskriftet Nano bogstaver i et papir med titlen "Effect of Spatial Charge Inhomogenity on 1/f Noise Behavior in Graphene." Medforfatter af avisen sammen med Zhang var Guangyu Xu, Carlos
Torres Jr., Fei Liu, Emil sang, Minsheng Wang, Yi Zhou, Caifu Zeng og Kang Wang.

Hovedforfatter Guangyu Xu, en fysiker ved Department of Electrical Engineering ved University of California (UC) Los Angeles, siger, at den rumlige ladningsinhomogenitet, der er ansvarlig for grafenens unikke støjmønstre, sandsynligvis var forårsaget af ladningsurenhederne nær grafen-substratgrænsefladen.

"Vores eksperiment udelukker omhyggeligt andre mulige ydre faktorer, der kan påvirke resultatet, " siger Xu. "Vi konkluderer sammenhængen mellem den anomale støjfunktion og den rumlige ladningsinhomogenitet, er en
af de vigtigste bærerspredningsmekanismer for ususpenderede grafenprøver."

Xu siger, at denne model med lavfrekvente støjkarakteristika i grafen burde være en væsentlig hjælp til fremstilling af elektroniske enheder, fordi forspænding ved lavstøjsregimet kan designes i enheden.

"Dette vil gavne det høje signal-til-støj-forhold i grafen, " siger Xu.