叉指电极设计对单层石墨烯微带低频噪声与随机电报噪声的影响机制研究

本文系统研究了叉指电极（IDEs）几何构型对单层石墨烯（SLG）微带（GMRs）电学性能的影响，通过低频噪声（LFN）和随机电报噪声（RTN）分析揭示了器件信噪比（SNR）与电极拓扑结构的关联性，为高性能石墨烯传感器设计提供了关键优化策略。

　　

Highlight

高性能叉指电极（IDEs）与单层石墨烯（SLG）的复合器件在传感应用中展现出独特优势。本研究通过制备不同宽度的石墨烯微带（GMRs）和多种IDE构型，系统分析了其低频噪声（LFN）特性。测量结果呈现出典型的1/f噪声特征，并通过随机电报噪声（RTN）信号解析揭示了不同陷阱活性的作用机制。研究表明，通过调控GMR宽度或IDE几何拓扑，可显著提升SLG器件的信噪比（SNR）。这些发现为优化石墨烯电子器件性能提供了重要指导。

Materials and methods

采用化学气相沉积（CVD）法在铜箔上生长SLG，通过聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）辅助湿法转移至300 nm SiO₂/Si基底。紫外曝光（325 nm）结合甲基异丁基酮（MIBK）：异丙醇（IPA）（3:1）溶液去除PMMA后，经退火处理完成石墨烯图案化。

Results and discussion

电流-电压测试显示：当电流≤20 μA时器件呈欧姆特性，更高电流下出现自热效应。噪声信号时域统计分析发现最多三个RTN能级，源自IDE-GMR不同区域。特别值得注意的是，不同RTN能级的产生与电极间距（G）和微带宽度（W）存在明确关联——当G/W≈1时观察到最优SNR表现，这归因于载流子输运路径与陷阱态分布的协同调控。

Conclusions

本研究证实IDE几何参数与GMR尺寸的匹配度是影响器件噪声性能的核心因素。当电极间距与微带宽度达到特定比例时，既能有效抑制界面陷阱引起的RTN波动，又可保持高载流子迁移率（200,000 cm²V^-1s^-1），该发现为设计高灵敏度石墨烯生物传感器提供了理论依据。