[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究提供了直接实验证据，表明高质量悬浮石墨烯中$1/f$噪声主要源于可移动杂质形成的动态团簇所引起的非标量、各向异性的迁移率涨落。通过科宾圆盘几何结构，作者观察到在$\mu_0B \approx 1$时磁场所导致的显著噪声抑制，证实噪声来源于相关联的径向与角向迁移率涨落，动力学蒙特卡洛模拟支持集体杂质动力学是长时相关性与$1/f$行为的起源。

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.

研究动机与目标

• 确定高质量悬浮石墨烯中$1/f$噪声的起源，特别是区分迁移率涨落与其他噪声源。
• 检验理论预测：在仅对角电导率敏感的科宾几何结构中，各向同性迁移率涨落引起的$1/f$噪声应在$\mu_0B = 1$时消失。
• 研究移动杂质的集体动力学（而非孤立的双态系统）是否可通过长时相关性产生真实的$1/f$噪声。
• 利用动力学蒙特卡洛模拟与有限元方法，建立并验证杂质团簇化与各向异性迁移率涨落的作用。
• 建立磁质依赖噪声抑制与二维体系中迁移率涨落本征各向异性之间的直接联系。

提出的方法

• 采用光刻胶（LOR）牺牲层工艺结合电子束光刻与电流退火技术，制备了悬浮的单层石墨烯科宾圆盘器件。
• 利用电压偏置电流涨落测量方法，结合跨阻放大器（SR570）与快速傅里叶变换分析仪（SRS 785），提取$1/f$噪声的功率谱密度。
• 采用科宾几何结构以分离对角电导率$\sigma_{xx}$，从而在迁移率涨落各向同性时检测噪声抑制现象。
• 在50×50正方格点上进行动力学蒙特卡洛（kMC）模拟，模拟25个缺陷的热激活跳跃行为，能量垒$E_d = 4$，$k_B T = 1.2$与$2$。
• 基于缺陷点位的电导率比背景高10⁵倍的假设，利用有限元方法（FEM）计算径向与角向的电阻涨落。
• 计算径向与角向电阻涨落之间的相关系数，以量化各向异性，并将模拟结果与实验数据进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 高迁移率石墨烯中的$1/f$噪声是否主要源于理论预测的迁移率涨落？
• RQ2 科宾几何结构中磁场所导致的噪声抑制是否可证实非标量（各向异性）迁移率涨落的存在？
• RQ3 移动杂质的集体动力学——通过团簇重构与长程相关性——在多大程度上可产生与标准双态系统模型不同的$1/f$噪声？
• RQ4 迁移率涨落的各向异性程度如何随载流子浓度及狄拉克点附近位置变化？
• RQ5 缺陷运动的动力学蒙特卡洛模拟能否再现石墨烯中$1/f$噪声的磁质依赖性？

主要发现

• 在科宾石墨烯器件中，于$\mu_0B \approx 1$处观察到$1/f$噪声的明显抑制，提供了噪声源于迁移率涨落的直接实验证据。
• 噪声抑制在狄拉克点附近最强，并随载流子浓度增加而减弱，表明远离电荷 puddles 区域后非均匀迁移率涨落减少。
• 观察到径向与角向迁移率涨落之间存在负相关性，与杂质团簇旋转或集体重构行为一致。
• 动力学蒙特卡洛模拟成功再现了实验中的噪声抑制与各向异性，支持了因跨越大能量垒的稀少跳跃所导致的长时记忆效应模型。
• 结果与基于分布双态系统或陷阱态的常规$1/f$噪声模型不一致，反而指向集体杂质动力学作为主导机制。
• 本研究证明，移动杂质的集体非指数弛豫动力学可自然产生宽频段的$1/f$噪声，提供了一种与传统模型不同的全新物理起源。