Как исследователи объясняют проявления 1/f шума в электронных приборах? Каковы особенности графена как проводника? Какими методами измеряют фликкер-шум в графене? Об этом рассказывает профессор электротехники Калифорнийского университета Александр Баландин.

1/f шум — очень захватывающее и интересное явление. Как следует из названия этого шума, его спектральная плотность мощности обратно пропорциональна частоте f. 1/f шум, также называемый фликкер-шум, или розовый шум, был открыт Джонсоном в 1925 году, когда он проводил опыты по экспериментальному подтверждению формулы Найквиста для теплового шума. Для меня самым замечательным является то, что, несмотря на интересную физику 1/f шума и практическую важность, несмотря на почти вековую историю исследования, этот шум до сих пор частично загадочен. В научной литературе физиков и инженеров до сих пор идут споры об основах этого типа шума. На данный момент считается, что, несмотря на общепринятое название, все проявления 1/f шума, которые мы регистрируем в различных электронных приборах, не могут быть объяснены единым физическим механизмом.

В стандартных электронных устройствах 1/f шум или колебания токов обычно связаны либо с изменением количества носителей заряда в канале (когда количество носителей меняется, то и ток, вызываемый этими носителями, также меняется), либо с изменением электронной мобильности; так как электрический ток пропорционален количеству носителей заряда и электронной мобильности, то изменение электронной мобильности может также вызвать изменение тока. Для большинства обычных материалов флуктуации тока с зависимостью от частоты в виде 1/f относятся к флуктуациям количества носителей заряда. Традиционная модель описания 1/f шума как колебания числа носителей заряда называется моделью Макуортера (McWhorter). Она применима к электронным устройствам, основанным на обычных полупроводниках.

После проведения дополнительных измерений и изучения доступной литературы, мы придумали объяснение наблюдаемому в графене уменьшению общего уровня шума при внедрении дефектов. Оказалось, что с точки зрения 1/f фликкер-шума графен больше похож на металл, чем на обычный полупроводник. Снижение уровня шума может быть объяснено преобладающим вкладом флуктуаций электронной мобильности, а не флуктуациями количества носителей заряда. Эти эксперименты, которые мы описали в серии статей в Applied Physics Letters, позволили нам прояснить физический механизм, лежащий в основе 1/f шума в графене. Таким образом, он больше связан с флуктуациями мобильности носителей заряда, а не с флуктуациями их количества в каналах графена.