(PhysOrg.com) -- Grafeen is een tweedimensionale kristallijne laag koolstofatomen - wat betekent dat het maar één atoom dik is - waardoor elektronen met bijna de lichtsnelheid kunnen racen - 100 keer sneller dan ze door silicium kunnen bewegen. Dit plus de ongelooflijke flexibiliteit en mechanische sterkte van grafeen maken het materiaal tot een potentiële superster voor de elektronica-industrie. Echter, overwegende dat de beste elektronische materialen een sterk signaal en zwak achtergrondgeluid hebben, het bereiken van deze hoge signaal-ruisverhouding was een uitdaging voor zowel enkele als dubbele grafeen, vooral wanneer geplaatst op een substraat van silica of een ander diëlektricum. Een van de problemen waarmee apparaatontwikkelaars worden geconfronteerd, is het ontbreken van een goed grafeenruismodel.

Werken met de unieke nanowetenschappelijke mogelijkheden van de Molecular Foundry van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), een multi-institutioneel team van onderzoekers heeft het eerste model van signaal-ruisverhoudingen voor laagfrequente ruis in grafeen op silica ontwikkeld. Hun resultaten laten ruispatronen zien die precies het tegenovergestelde zijn van ruispatronen in andere elektronische materialen.

Berkeley Lab materiaalwetenschapper Yuegang Zhang leidde een onderzoek waarin werd vastgesteld dat voor grafeen op silica, de achtergrondsignaalruis is minimaal in de buurt van het gebied in het grafeen waar de elektronendichtheid van toestanden (het aantal energietoestanden dat beschikbaar is voor elk elektron) het laagst is. Voor halfgeleiders, zoals silicium, in het gebied waar de toestand van de elektronendichtheid laag is, is de achtergrondruis het hoogst. Echter, er waren duidelijke verschillen in de ruispatronen van enkel- en dubbellaags grafeen.

"In dit werk, we presenteren de vier-sonde laagfrequente ruiskarakteristieken in enkel- en dubbellaagse grafeenmonsters, een back-gated apparaatstructuur gebruiken die de fysica helpt te vereenvoudigen bij het begrijpen van de interacties tussen het grafeen en het silicasubstraat, "zegt Zhang. "Voor enkellaags grafeen vonden we dat de ruis werd verminderd, dicht bij of ver weg van de laagste elektronendichtheid van toestanden, soms aangeduid als het Dirac-punt voor grafeen, vormen een M-vormig patroon. Voor het dubbellaagse grafeen, we vonden een vergelijkbare ruisonderdrukking in de buurt van het Dirac-punt, maar een toename vanaf dat punt, vormen een V-vormig patroon. De ruisgegevens in de buurt van het Dirac-punt correleerden met inhomogeniteit van de ruimtelijke lading."

De resultaten van dit onderzoek worden gerapporteerd in het tijdschrift Nano-letters in een paper getiteld "Effect of Spatial Charge Inhomogeneity on 1/f Noise Behavior in Graphene." Co-auteur van het artikel met Zhang waren Guangyu Xu, Carlos
Torres Jr., Fei Liu, Emiel Lied, Minsheng Wang, Yi Zhou, Caifu Zeng en Kang Wang.

Hoofdauteur Guangyu Xu, een natuurkundige bij de afdeling Elektrotechniek aan de Universiteit van Californië (UC) Los Angeles, zegt dat de ruimtelijke inhomogeniteit van de lading die verantwoordelijk is voor de unieke ruispatronen van grafeen waarschijnlijk werd veroorzaakt door de onzuiverheden van de lading in de buurt van het grafeen-substraat-interface.

"Ons experiment sluit zorgvuldig andere mogelijke extrinsieke factoren uit die het resultaat zouden kunnen beïnvloeden, " zegt Xu. "We concluderen de correlatie tussen het abnormale ruiskenmerk en de inhomogeniteit van de ruimtelijke lading, is een
van de belangrijkste mechanismen voor dragerverstrooiing voor niet-gesuspendeerde grafeenmonsters."

Xu zegt dat dit model van laagfrequente ruiskarakteristieken in grafeen een belangrijke hulp zou moeten zijn bij het fabriceren van elektronische apparaten, omdat voorspanning bij het lage ruisregime in het apparaat kan worden ontworpen.

"Dit komt de hoge signaal-ruisverhouding in grafeen ten goede, ' zegt Xu.