(Phys.org) — Een universiteit van Californië, Riverside Bourns College of Engineering-professor en een team van onderzoekers hebben vandaag een paper gepubliceerd waarin ze laten zien hoe ze een bijna eeuwenoud probleem hebben opgelost dat verder zou kunnen helpen de omvang van elektronische apparaten te verkleinen.

Het werk, onder leiding van Alexander A. Balandin, een professor in elektrotechniek aan UC Riverside, gericht op de laagfrequente elektronische 1/f-ruis, ook bekend als roze ruis en flikkerruis. Het is een signaal of proces met een spectrale vermogensdichtheid die omgekeerd evenredig is met de frequentie. Het werd voor het eerst ontdekt in vacuümbuizen in 1925 en sindsdien is het overal gevonden, van fluctuaties in de intensiteit in muziekopnames tot menselijke hartslagen en elektrische stromen in materialen en apparaten.

Het belang van deze ruis voor elektronica motiveerde talloze studies naar de fysieke oorsprong en methoden voor de controle ervan. Bijvoorbeeld, de faseruis van het signaal in een radar of communicatiegadget zoals een smartphone wordt bepaald, in hoge mate, door het 1/f-ruisniveau in de transistors die in de radar of smartphone worden gebruikt.

Echter, na bijna een eeuw van onderzoek, de oorsprong van 1/f-ruis in de meeste materiële systemen bleef een mysterie. Een vraag van bijzonder belang voor elektronica was of 1/f-ruis werd gegenereerd op het oppervlak van elektrische geleiders of in hun volumes.

Een team van onderzoekers van de UC Riverside, Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) en Ioffe Physical-Technical Institute of the Russian Academy of Sciences waren in staat om licht te werpen op 1/f ruisoorsprong met behulp van een reeks meerlagige grafeenmonsters waarvan de dikte continu varieerde van ongeveer 15 atomaire vlakken tot een enkele laag grafeen. Grafeen is een enkel atoom dik koolstofkristal met unieke eigenschappen, inclusief superieure elektrische en warmtegeleiding, mechanische sterkte en unieke optische absorptie.

Naast Balandin, die ook de oprichter is van het materiaalwetenschap en -engineeringprogramma aan UC Riverside, het team van onderzoekers omvatte:Het team omvatte:Guanxiong Liu, een onderzoeksmedewerker in het Nano-Device Laboratory (NDL) van Balandin; Michael S. Shur, Patricia W. en C. Sheldon Roberts hoogleraar Solid State Electronics bij RPI; en Sergey Rumyantsev, onderzoeksprofessor bij RPI en Ioffe Institute.

"De sleutel tot dit interessante resultaat was dat, in tegenstelling tot metaal- of halfgeleiderfilms, de dikte van meerdere lagen grafeen kan continu en uniform worden gevarieerd tot aan een enkele atomaire laag grafeen - het ultieme "oppervlak" van de film, " zei Balandin. "Dus, we konden met meerlaagse grafeenfilms iets bereiken wat onderzoekers in de vorige eeuw niet konden met metaalfilms. We hebben de oorsprong van 1/f-ruis direct onderzocht."

Hij voegde eraan toe dat eerdere studies geen metaalfilms konden testen met een dikte van minder dan ongeveer acht nanometer. De dikte van grafeen is 0,35 nanometer en kan geleidelijk worden verhoogd, één atoomvlak tegelijk.

"Naast de fundamentele wetenschap, de gerapporteerde resultaten zijn belangrijk voor het voortzetten van de downscaling van conventionele elektronische apparaten, Balandin zei. "De huidige technologie is al op het niveau waarop veel apparaten in wezen de oppervlakken worden. In deze betekenis, de bevinding gaat verder dan het grafeenveld."

Hij merkte ook op dat de studie essentieel was voor de voorgestelde toepassingen van grafeen in analoge circuits, communicatie en sensoren. Dit komt omdat al deze toepassingen acceptabel lage niveaus van 1/f-ruis vereisen, wat bijdraagt ​​aan de faseruis van communicatiesystemen en de sensorgevoeligheid en selectiviteit beperkt.

De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in het tijdschrift Technische Natuurkunde Brieven .