[論文レビュー] Suppression of $1/f$ noise in graphene due to non-scalar mobility fluctuations induced by impurity motion

Masahiro Kamada, Weijun Zeng+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2021

Graphene research and applications被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、高移動度のスピンされたグラフェンにおける$1/f$ノイズが、主に可動不純物がダイナミッククラスタを形成することによって生じる非スカラー的で異方的な移動度フラクチュエーションに起因することを直接実験的に示している。コルビーノディスク幾何学を用いて、$μ_0B \approx 1$でノイズが強い磁場によって抑制されることを観測し、ノイズが相関した径方向および方位角方向の移動度フラクチュエーションに起因することを確認した。キネティックモンテカルロモデルは、集団的な不純物ダイナミクスが長時間相関および$1/f$挙動の原因であることを支持している。

ABSTRACT

Low frequency resistance variations due to mobility fluctuations is one of the key factors of $1/f$ noise in metallic conductors. According to theory, such noise in a two-dimensional (2D) device can be suppressed to zero at small magnetic fields, implying important technological benefits for low noise 2D devices. In this work, we provide direct evidence of anisotropic mobility fluctuations by demonstrating a strong field-induced suppression of noise in a high-mobility graphene Corbino disk, even though the device displays only a tiny amount of $1/f$ noise inherently. The suppression of the $1/f$ noise depends on charge density, showing less non-uniform mobility fluctuations away from the Dirac point with charge puddles. We model our results using a new approach based on impurity clustering dynamics and find our results consistent with the $1/f$ noise induced by scattering of carriers on mobile impurities forming clusters.

研究の動機と目的

• 高品質なスピンしたグラフェンにおける$1/f$ノイズの起源を特定すること、特に移動度フラクチュエーションと他のノイズ源の区別を行うこと。
• 理論的予測である、コルビーノ幾何学において等方的移動度フラクチュエーションからの$1/f$ノイズは、$μ_0B = 1$で消えるはずである、という仮説を検証すること。この幾何学は対角的導電率のみに敏感である。
• 個々の二準位系ではなく、集団的な不純物ダイナミクス（クラスタの再構成や長距離相関）が、標準的な二準位系モデルとは異なる真の$1/f$ノイズを生成できるかどうかを調査すること。
• キネティックモンテカルロシミュレーションと有限要素法を用いて、不純物クラスタリングと異方的移動度フラクチュエーションの役割をモデル化・検証すること。
• 磁場依存のノイズ抑制と2次元系における移動度フラクチュエーションの固有の異方性との直接的な関連を確立すること。

提案手法

• 電子ビームリソグラフィーと電流アニーリングを用いた、リフトオフレジスト（LOR）犠牲層法により、スピンしたモノレイヤーグラフェンのコルビーノディスクを作製した。
• 電圧バイアスをかけた電流フラクチュエーション測定を、トランスインピーダンスアンプ（SR570）とFFTアナライザー（SRS 785）を用いて実施し、$1/f$ノイズのパワー・スペクトル密度を抽出した。
• コルビーノ幾何学を用いて対角的導電率$\sigma_{xx}$を分離し、移動度フラクチュエーションが等方的である場合にノイズ抑制が観測可能であることを可能にした。
• 50×50の正方形格子上で、エネルギー障壁$E_d = 4$、$k_B T = 1.2$および$2$の25個の欠陥の熱的に駆動されるジャンプをモデル化するためのキネティックモンテカルロ（kMC）シミュレーションを実施した。
• 背景に比べて10⁵倍導電性が高い欠陥サイトを仮定し、有限要素法（FEM）を用いて径方向および方位角方向の抵抗フラクチュエーションを計算した。
• 径方向および方位角方向の抵抗フラクチュエーション間の相関係数を計算し、異方性を定量化した。実験データとシミュレーション結果を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 理論で予測されているように、高移動度グラフェンにおける$1/f$ノイズは、主に移動度フラクチュエーションに起因するのだろうか？
• RQ2 コルビーノ幾何学における磁場誘発ノイズ抑制は、非スカラー的（異方的）な移動度フラクチュエーションの存在を確認できるのだろうか？
• RQ3 可動不純物の集団的ダイナミクス（クラスタの再形状や長距離相関）が、標準的な二準位系モデルとは異なる$1/f$ノイズをどの程度生成できるのだろうか？
• RQ4 移動度フラクチュエーションの異方性度は、キャリア密度やディラック点への近接度にどのように依存するのか？
• RQ5 欠陥の運動をシミュレートするキネティックモンテカルロシミュレーションは、グラフェンにおける観測された磁場依存の$1/f$ノイズの依存性を再現できるのだろうか？

主な発見

• コルビーノグラフェンデバイスにおいて、$μ_0B \approx 1$で明確な$1/f$ノイズ抑制が観測され、ノイズが移動度フラクチュエーションに起因することを直接実験的に裏付けた。
• ノイズ抑制はディラック点付近で最も強く、キャリア密度が増加するにつれて弱まり、電荷プールから離れるにつれて非一様な移動度フラクチュエーションが減少することを示している。
• 径方向と方位角方向の移動度フラクチュエーション間に負の相関が観測され、これは回転するか、あるいは集団的に再構成される不純物クラスタと整合的である。
• キネティックモンテカルロシミュレーションは、実験的ノイズ抑制と異方性を再現しており、長時間記憶効果が大きなエネルギー障壁を越える稀なジャンプから生じることを支持している。
• 標準的な$1/f$ノイズモデル（分散二準位系やトラップ状態に基づくもの）とは矛盾する結果であり、集団的不純物ダイナミクスが主なメカニズムであることを示唆している。
• 本研究は、可動不純物の集団的で指数的でない緩和ダイナミクスが、広帯域にわたり自然に$1/f$ノイズを生成できることを示しており、従来のモデルとは別個の物理的起源を提供している。