Низкочастотный электромагнитный шум – это проблема многих устройств и схем, но исследователи все еще не могут с полной уверенностью сказать, где именно он генерируется: на поверхности электрических проводников или внутри «массы» устройства. Группа ученых из США, похоже, готова ответить на этот в буквальном смысле вековой вопрос, благодаря экспериментальным исследованиям этого шума с помощью многослойного графена.

Полученные данные будут иметь огромное значение для создания электронных устройств, размеры которых не превышают нескольких нанометров, а также аналоговых схем, сетей связи и датчиков на основе графена.

Низкочастотный шум был впервые обнаружен в вакуумных трубках почти 100 лет назад. Как кажется, он сопутствует любой электронике или коммуникационным устройствам, в которых колеблется электрический ток. Этот паразитный шум не столь беспокоил бы ученых, если бы его уровень не увеличивался при уменьшении геометрических размеров устройств. Это существенная проблема, поскольку со временем устройства (в частности, кремниевые транзисторы), становятся все меньше. Кстати, увеличение шума вредит не только транзисторам и соединительным элементам в цифровых схемах, но тем более мешает создателям высокочастотных цепей, к примеру, генераторов. Низкочастотный шум становится фазовым и ухудшает отношение сигнал/шум операционных усилителей, а также аналого-цифровых преобразователей.

Современные транзисторы имеют толщину порядка нанометров, поэтому для ученых чрезвычайно важно было понять, когда низкочастотный шум становится сугубо поверхностным эффектом. Хотя понятно, что точная «граница» для толщины может варьироваться для разных материалов, масштаб, при котором канал транзистора или барьерный слой, условно говоря, ведет себя, как поверхность (где шум особенно вредит), имеет важное значение для разработки следующего поколения электроники. На этот вопрос попыталась ответить группа американских ученых.

Группа ученых из University of California Riverside (UCR, США) в своей работе использовала многослойный графен. В отличие от объемных металлов или полупроводников, толщина пленок из этого материала может равномерно и непрерывно изменяться, вплоть до достижения одноатомного слоя, который можно рассматривать, как поверхность вообще без объема.

В ходе исследований были задействованы листы многослойного графена, имеющие от 1 до 15 атомарных слоев.

В результате ученым удалось выявить искомую «границу» типичного поведения проводников: было обнаружено, что электромагнитный шум появляется на поверхности тех образцов, которые содержат менее семи атомных слоев. Когда же образец содержит более семи слоев – шум появляется в объеме полупроводника.

По мнению ученых, это очень неожиданное открытие, поскольку 7 атомных слоев графена – это пленка всего в 2,5 нм толщиной.

Помимо этой особенности электромагнитного шума, исследователи выявили закон подобия для низкочастотных помех, что потребуется в будущем для миниатюризации электронных устройств (не только на основе графена) до нанометровых масштабов.

В целом опубликованная работа, по мнению самих ученых, будет полезна для будущих создателей аналоговых схем, а также сетей и датчиков на основе графена, поскольку эти приложения требуют предельно низкого уровня паразитного шума.

В ближайшее время команда планирует приоткрыть завесу тайны над физическими механизмами, лежащими в основе образования низкочастотного шума, для которого пока еще не существует глобальной общепринятой теории.

Подробные результаты работы ученых были опубликованы в журнале Applied Physics Letters.