Le nouveau modèle de bruit montre tous les échantillons de graphène monocouche avec un motif de bruit en forme de M (en haut) et tous les échantillons de graphène bicouche avec un motif de bruit en forme de V.
(PhysOrg.com) -- Le graphène est une feuille cristalline bidimensionnelle d'atomes de carbone - ce qui signifie qu'elle n'a qu'un atome d'épaisseur - à travers laquelle les électrons peuvent courir presque à la vitesse de la lumière - 100 fois plus vite qu'ils ne peuvent se déplacer à travers le silicium. L'incroyable flexibilité et la résistance mécanique du graphène font de ce matériau une superstar potentielle pour l'industrie électronique. Cependant, alors que les meilleurs matériaux électroniques présentent un signal fort et un bruit de fond faible, atteindre ce rapport signal/bruit élevé a été un défi pour les monocouches et les bicouches de graphène, surtout lorsqu'il est placé sur un substrat de silice ou d'un autre diélectrique. L'un des problèmes auxquels sont confrontés les développeurs d'appareils a été l'absence d'un bon modèle de bruit de graphène.
En travaillant avec les capacités nanoscientifiques uniques de la fonderie moléculaire du laboratoire national Lawrence Berkeley du département américain de l'Énergie (DOE), une équipe multi-institutionnelle de chercheurs a développé le premier modèle de rapports signal/bruit pour les bruits basse fréquence dans le graphène sur silice. Leurs résultats montrent des modèles de bruit qui fonctionnent exactement à l'opposé des modèles de bruit dans d'autres matériaux électroniques.
Le scientifique des matériaux de Berkeley Lab Yuegang Zhang a dirigé une étude dans laquelle il a été déterminé que pour le graphène sur silice, le bruit de fond du signal est minimal près de la région du graphène où la densité électronique d'états (le nombre d'états énergétiques disponibles pour chaque électron) est la plus faible. Pour les semi-conducteurs, comme le silicium, dans la région où la densité électronique des états est faible, le bruit de fond est à son maximum. Cependant, il y avait des différences distinctes dans les modèles de bruit du graphène simple et bicouche.
"Dans ce travail, nous présentons les caractéristiques de bruit basse fréquence à quatre sondes dans des échantillons de graphène monocouche et bicouche, en utilisant une structure de dispositif à porte arrière qui permet de simplifier la physique dans la compréhension des interactions entre le graphène et le substrat de silice, ", explique Zhang. "Pour le graphène monocouche, nous avons constaté que le bruit était réduit à proximité ou à distance de la plus faible densité électronique d'états, parfois appelé le point de Dirac pour le graphène, formant un motif en forme de M. Pour le graphène bicouche, nous avons trouvé une réduction de bruit similaire près du point de Dirac mais une augmentation à partir de ce point, formant un motif en forme de V. Les données de bruit près du point de Dirac étaient corrélées à l'inhomogénéité de la charge spatiale."
Les résultats de cette recherche sont publiés dans la revue Lettres nano dans un article intitulé "Effect of Spatial Charge Inhomogeneity on 1/f Noise Behavior in Graphene". Les co-auteurs de l'article avec Zhang étaient Guangyu Xu, Carlos
Torres Jr., Fei Liu, Emil Song, Minsheng Wang, Yi Zhou, Caifu Zeng et Kang Wang.
Auteur principal Guangyu Xu, un physicien au département de génie électrique de l'Université de Californie (UC) à Los Angeles, dit que l'inhomogénéité de charge spatiale responsable des modèles de bruit uniques du graphène a probablement été causée par les impuretés de charge près de l'interface graphène-substrat.
"Notre expérience exclut soigneusement d'autres facteurs extrinsèques possibles qui pourraient influencer le résultat, " Xu dit. " Nous concluons la corrélation entre la caractéristique de bruit anormal et l'inhomogénéité de charge spatiale, est une
des principaux mécanismes de diffusion des porteurs pour les échantillons de graphène non suspendus."
Xu dit que ce modèle de caractéristiques de bruit à basse fréquence dans le graphène devrait être d'une aide significative pour la fabrication d'appareils électroniques, car la polarisation au régime à faible bruit peut être conçue dans l'appareil.
« Cela profitera au rapport signal/bruit élevé du graphène, " dit Xu.