超薄石墨烯传感器检测到的磁场中的细微差别

由物理学助理教授卡佳·诺瓦克（Katja Nowack）领导的研究人员通过将石墨烯夹在六方氮化硼片之间来创建了微米级的霍尔效应传感器，从而使该器件可在比以前的霍尔传感器更大的温度范围内工作。

与演员和歌剧演唱者一样，在测量磁场时，有助于确定范围。

康奈尔大学的研究人员使用超薄石墨烯“三明治”制造了一个微型磁场传感器，该传感器可以在比以前的传感器更大的温度范围内工作，同时还可以检测磁场中的微小变化，否则这些变化可能会在更大的磁场背景中丢失。

该小组的论文“超净石墨烯霍尔传感器的磁场检测极限”最近发表在《自然通讯》上。

该小组由文理学院物理助理教授卡特娅·诺瓦克（Katja Nowack）领导，该论文的高级作者。

Nowack的实验室专门研究使用扫描探针进行磁成像。他们的首选探头之一是超导量子干涉设备，即SQUID，它在低温和小磁场下都能很好地工作。

该论文的主要作者博士生Brian Schaefer说：“我们希望通过使用其他类型的传感器（霍尔效应传感器）来扩展我们可以探索的参数范围。”“它可以在任何温度下工作，我们已经证明它也可以在强磁场下工作。霍尔传感器以前曾在高磁场中使用，但通常无法检测到该磁场之上的微小磁场变化。”

霍尔效应是凝聚态物理学中的一种众所周知的现象。当电流流过样品时，它会在磁场作用下弯曲，从而在样品两侧产生与磁场成比例的电压。

霍尔效应传感器用于各种技术，从手机到机器人技术再到防抱死制动系统。这些设备通常由诸如硅和砷化镓之类的常规半导体制成。

Nowack的小组决定尝试一种更新颖的方法。

在过去的十年中，石墨烯片的使用蓬勃发展，石墨烯片是排列成蜂窝晶格的单层碳原子。但是，当将石墨烯片直接放置在硅基板上时，石墨烯器件通常无法达到由其他半导体制成的器件的要求。石墨烯片在纳米级“皱缩”，从而抑制了其电性能。

Nowack的小组采用了一种最新开发的技术来释放石墨烯的全部潜能-将其夹在六方氮化硼片之间。六方氮化硼具有与石墨烯相同的晶体结构，但是电绝缘体，可使石墨烯片平放。夹层结构中的石墨层充当静电门，以调节可在石墨烯中导电的电子数量。

三明治技术是由合著者王力（Lei Wang）率先提出的，王力是康奈尔大学纳米科学部卡夫里研究所的前博士后。Wang还曾是共同资深作者Paul McEuen，John A. Newman物理科学教授，纳米级科学和微系统工程（NEXT Nano）工作组的联合主席，该实验室是教务长的自由基协作计划的一部分。

Nowack说：“六角形氮化硼和石墨的封装使电子系统超净。”“这使我们可以在比以前更低的电子密度下工作，并且有利于增强我们感兴趣的霍尔效应信号。”

研究人员能够创建一个微米级的霍尔传感器，其功能与室温下报告的最佳霍尔传感器相同，而在温度低至4.2开尔文（或华氏452.11华氏度）的情况下，其性能优于任何其他霍尔传感器。

石墨烯传感器是如此精确，以至于它们可以识别出磁场中相对于背景磁场的微小波动，该背景磁场要大六个数量级（或大小的一百万倍）。即使对于高质量的传感器，检测这种细微差别也是一个挑战，因为在高磁场中，电压响应变为非线性，因此更难解析。

Nowack计划将石墨烯霍尔传感器整合到扫描探针显微镜中，以对量子材料进行成像并探索物理现象，例如磁场如何破坏非常规的超导性以及电流在特殊材料（例如拓扑金属）中的流动方式。

Nowack说：“磁场传感器和霍尔传感器是许多现实应用中的重要组成部分。”“这项工作确实将超净石墨烯作为一种构建霍尔探针的上乘材料而真正地摆在了地图上。对于某些应用而言，这实际上并不实用，因为很难制造这些设备。但是人们正在探索不同的材料增长途径和三明治自动组装方法。一旦有了石墨烯三明治，就可以将其放置在任何地方，并与现有技术集成。”

参考：Brian T. Schaefer，Lei Wang，Alexander Jarjour，Kenji Watanabe，Takashi Taniguchi，Paul L. McEuen和Katja C. Nowack的“超净石墨烯霍尔传感器的磁场检测极限”，自然通讯，2020年8月20日。DOI：
10.1038 / s41467-020-18007-5

合著者包括博士生Alexander Jarjour，以及日本筑波大学国立材料科学研究所的研究人员。

该研究得到了美国国家科学基金会和NSF材料研究科学与工程中心康奈尔材料研究中心的支持。研究人员利用了科内尔纳米级科学技术设施和哥伦比亚纳米计划的洁净室。