通常低于100 KHz的低频1/f噪声（有时也称为闪烁噪声）普遍存在于物理、生物、甚至是经济体系中——海平面的波动、音乐录制的强度、人类心跳速率、或是半导体器件中的电流。

在很多器件中，闪烁噪声都是关键的性能指标，因为它限制了所有依赖于电响应传感器的灵敏度和选择性。这也包括将来石墨烯的电子学应用，虽然受石墨烯带隙缺失的影响不大，但依赖于石墨烯的高电子迁移率、热导率、饱和速度以及可调的载流子浓度。这些应用包括模拟电子技术、高频通信、THz等离激元器件及传感器。对于这些应用，低频1/f噪声是关键的性能指标。

“低频噪声是通信系统相位噪声的主要来源，即使是在更高的载波频率上进行工作。”加州大学河滨分校（UC Riverside，UCR）电气与计算机工程Alexander A. Balandin教授向Nanowerk记者这样解释，“它还限制了化学和生物传感器的灵敏度和选择性。”

实际应用中，石墨烯及其他二维（2D）材料器件的噪声水平必须降低。除非将噪声谱密度降至可与传统的先进晶体管相比拟的水平，否则石墨烯基通信系统或探测器是无法实现的。

研究人员正在寻找降低这些新型2D材料系统噪声的可行方法。Balandin教授领导的研究团队最近声明，将石墨烯通道被包裹在两层六方氮化硼（h-BN）之间（如图1），可强烈抑制石墨烯器件的电子噪声。

图1：h-BN-石墨烯-h-BN异质结场效应晶体管（HFET）示意图。（左图）“一维”接触的全封闭石墨烯层结构。（右图）典型石墨烯封装的HFET的光学显微镜图像。

图片来源：Professor Alexander A. Balandin and Maxim Stolyarov, Nano-Device Laboratory, University of California – Riverside

相关结果于2015年7月14日在线发表于《应用物理快报》（Applied Physics Letters）期刊上，标题为“抑制近弹道h-BN-石墨烯-h-BN异质结场效应晶体管的1/f噪声”（Suppression of 1/f noise in near-ballistic h-BN-graphene-h-BN heterostructure field-effect transistors）。团队成员包括Balandin教授纳米器件实验室研究生研究助理Maxim Stolyarov、Guanxiong Liu博士后，以及伦斯勒理工学院（Rensselaer Polytechnic Institute，RPI）Sergey Rumyantsev博士和Michael Shur教授。

具体而言，该论文是关于Si/SiO2衬底上六方氮化硼-石墨烯-氮化硼（h-BN-G-h-BN）异质结场效应晶体管的低频噪声。

异质结h-BN-G-h-BN晶体管室温下具有很高的载流子迁移率，~30000至~36000 cm2/Vs。

“测量结果表明，相比于硅衬底上传统的未包覆石墨烯器件，该器件通道面积归一化的噪声谱密度可抑制一个数量级。”Balandin说（见图2）。“我们认为通道中载流子筛选的噪声抑制的物理机制来自于SiO2栅极电介质及表面缺陷的限域。”

图2：h-BN-石墨烯-h-BN异质结场效应晶体管归一化噪声谱密度与背栅偏置频率的函数关系（左图）。2个代表性器件中，噪声参数β（定义2D通道的1/f噪声水平）与栅极偏置的函数关系（右图）。

图片来源：Professor Alexander A. Balandin and Maxim A. Stolyarov, Nano-Device Laboratory, University of California – Riverside

已经有很多论文报道关于传统硅和氧化硅衬底上石墨烯的1/f噪声。通过研究这个问题，科学家们意识到，虽然石墨烯本身以及金属接触都对1/f噪声有影响，但主要的影响大多数来自于石墨烯通道本身。

Balandin指出，“抑制噪声的关键在于从栅极介电质、衬底和表面的缺陷和散射中心中筛选石墨烯通道。”

本论文是这种方法的第一个例子。该团队展示了异质结h-BN-石墨烯-h-BN场效应晶体管的设计，h-BN层有助于从周围材料的缺陷中筛选出石墨烯通道的电流。

“早就已经知道，利用氮化硼包覆石墨烯可以大大提高电子迁移率。”Balandin说，“即使是在室温下近弹道运行的微米级器件中，迁移率可达到30000cm2/Vs以上。在我们的研究中，我们发现这种异质结器件除了提高迁移率外，还具有很强的降噪作用。”

他补充道，“对于实际应用，这是很重要的。”

为了量化由2D材料（如石墨烯或MoS2）构建通道的器件的噪声水平，UCR-RPI团队引入了一个适用于2D材料的新指标。即对器件通道面积归一化的噪声谱密度，β=(SI/I2)(W × L)，其中SI为噪声谱密度，I为通道电流，W为通道宽度，L为通道长度。

根据研究人员的说法，需要新的图像，因为传统噪声特性针对的是块材材料。

“下一个任务是在传统硅互补金属氧化物半导体（CMOS）晶体管和其他半导体制成的场效应晶体管（FETs）中精确基准2D材料及器件的噪声水平。”Balandin总结，“之后，需要更好的理解什么东西能提高2D材料的质量和2D器件的设计，以使之可与传统半导体相竞争。”

加州大学河滨分校的此项研究受到半导体研究公司（Semiconductor Research Corporation，SRC）和国防高级研究项目机构（Defense Advanced Research Project Agency，DARPA）的支持，功能加速器纳米材料工程（STARnet Center for Function Accelerated nanoMaterial Engineering，FAME）和国家科学基金会（National Science Foundation，NSF）作为模拟、混合信号和RF应用的石墨烯电路项目（project Graphene Circuits for Analog, Mixed-Signal, and RF Applications）。

新材料在线编译整理——翻译：菠菜   校正：摩天轮