(PhysOrg.com) -- Il grafene è un foglio cristallino bidimensionale di atomi di carbonio - il che significa che è spesso solo un atomo - attraverso il quale gli elettroni possono correre quasi alla velocità della luce - 100 volte più velocemente di quanto possano muoversi attraverso il silicio. Oltre all'incredibile flessibilità e resistenza meccanica del grafene, il materiale è una potenziale superstar per l'industria elettronica. Però, considerando che i migliori materiali elettronici presentano un segnale forte e un rumore di fondo debole, raggiungere questo elevato rapporto segnale-rumore è stata una sfida sia per il singolo che per il doppio strato di grafene, specialmente se posto su un substrato di silice o qualche altro dielettrico. Uno dei problemi che devono affrontare gli sviluppatori di dispositivi è stata la mancanza di un buon modello di rumore al grafene.

Lavorando con le capacità uniche di nanoscienza della Molecular Foundry presso il Lawrence Berkeley National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, un team multi-istituzionale di ricercatori ha sviluppato il primo modello di rapporto segnale-rumore per i rumori a bassa frequenza in grafene su silice. I loro risultati mostrano modelli di rumore che funzionano esattamente l'opposto dei modelli di rumore in altri materiali elettronici.

Lo scienziato dei materiali del Berkeley Lab Yuegang Zhang ha condotto uno studio in cui è stato determinato che per il grafene su silice, il rumore del segnale di fondo è minimo vicino alla regione del grafene in cui la densità elettronica degli stati (il numero di stati energetici disponibili per ciascun elettrone) è più bassa. Per i semiconduttori, come il silicio, nella regione in cui gli stati di densità elettronica sono bassi il rumore di fondo è al massimo. Però, c'erano differenze distinte nei modelli di rumore del grafene a strato singolo e doppio.

"In questo lavoro, presentiamo le caratteristiche del rumore a bassa frequenza a quattro sonde in campioni di grafene a strato singolo e doppio, utilizzando una struttura del dispositivo back-gated che aiuta a semplificare la fisica nella comprensione delle interazioni tra il grafene e il substrato di silice, " dice Zhang. "Per il grafene a strato singolo abbiamo scoperto che il rumore è stato ridotto vicino o lontano dalla densità di elettroni più bassa degli stati, a volte indicato come il punto di Dirac per il grafene, formando un motivo a forma di M. Per il grafene a doppio strato, abbiamo trovato una riduzione del rumore simile vicino al punto Dirac ma un aumento lontano da quel punto, formando un motivo a V. I dati sul rumore vicino al punto di Dirac erano correlati alla disomogeneità della carica spaziale".

I risultati di questa ricerca sono riportati sulla rivista Nano lettere in un articolo intitolato "Effetto della disomogeneità della carica spaziale sul comportamento del rumore 1/f nel grafene". Co-autore del documento con Zhang c'erano Guangyu Xu, Carlos
Torres Jr., Fei Liu, Emil canzone, Minsheng Wang, Yi Zhou, Caifu Zeng e Kang Wang.

L'autore principale Guangyu Xu, un fisico con il Dipartimento di Ingegneria Elettrica presso l'Università della California (UC) Los Angeles, afferma che la disomogeneità della carica spaziale responsabile dei modelli di rumore unici del grafene è stata probabilmente causata dalle impurità della carica vicino all'interfaccia grafene-substrato.

"Il nostro esperimento esclude accuratamente altri possibili fattori estrinseci che potrebbero influenzare il risultato, " dice Xu. "Concludiamo la correlazione tra la caratteristica di rumore anomalo e la disomogeneità di carica spaziale, è uno
dei principali meccanismi di diffusione del vettore per campioni di grafene non sospesi."

Xu afferma che questo modello di caratteristiche di rumore a bassa frequenza nel grafene dovrebbe essere un aiuto significativo per la fabbricazione di dispositivi elettronici perché la polarizzazione al regime di basso rumore può essere progettata nel dispositivo.

"Ciò andrà a beneficio dell'elevato rapporto segnale-rumore nel grafene, " dice Xu.