Grafen gennembrud, da Bosch skaber magnetisk sensor, der er 100 gange mere følsom end tilsvarende silicium

Graphene Week 2015 er fyldt med fremragende forskningsresultater, men én præsentation har skabt en del røre på denne Graphene Flagship-konference. Til et forbløffet publikum, Robert Roelver fra det Stuttgart-baserede ingeniørfirma Bosch rapporterede torsdag, at virksomhedens forskere, sammen med forskere ved Max-Planck Institute for Solid State Research, har skabt en grafen-baseret magnetisk sensor 100 gange mere følsom end en tilsvarende enhed baseret på silicium.

Bosch har længe været involveret i sensorteknologi, især i bilindustrien. I 2008 virksomheden ekspanderede ud over sit pres, accelerations- og gyroskopiske bevægelsessensorer, til geomagnetisk, temperatur, fugtighed, luftkvalitets- og lydtryksenheder, inklusive til brug i forbrugerelektronik enheder såsom mobiltelefoner. Roelver bemærkede, at Bosch er verdens førende leverandør af mikroelektromekaniske sensorer, med €1 mia. i salg.

Interesseret i om grafen kunne muliggøre nye applikationer og forbedret sensorydelse, Bosch har undersøgt brugen af ​​det todimensionelle materiale i dets tryk, magnetiske, fugtighed, gas- og lydtryksanordninger. Det første skridt var at se på fremstillingsmetoder.

Top-down tilgange til fremstilling af grafenanordninger såsom mekanisk og kemisk eksfoliering ville ikke fungere i kommerciel skala, så Bosch fokuserede i stedet på bottom-up teknikker såsom termisk nedbrydning af siliciumcarbid, og kemisk dampaflejring på metaloverflader. Sidstnævnte er bestemt velegnet til masseproduktion, og førstnævnte muligvis det.

Roelver advarede om, at grafen-baserede sensorapplikationer vil tage 5-10 år, før de kan konkurrere med etablerede teknologier. Dette skyldes den nuværende mangel på storskala wafer-baserede og overførselsfrie synteseteknikker.

Forskellige substrater blev overvejet af Bosch og Max-Planck-forskerne, som i tilfælde af deres magnetiske sensor slog sig ned på sekskantet bornitrid. Dette er af hensyn til både omkostninger og teknisk ydeevne.

Boschs magnetiske sensorer er baseret på Hall-effekten, hvor et magnetfelt inducerer en Lorentz-kraft på bevægelige elektriske ladningsbærere, fører til afbøjning og en målbar Hall-spænding. Sensorydeevne er defineret af to parametre:(1) følsomhed, som afhænger af antallet af ladebærere, og (2) strømforbrug, som varierer omvendt med ladebærerens mobilitet. Det er høj transportørmobilitet, der gør grafen nyttig i sådanne applikationer, og resultaterne opnået af det Bosch-ledede team bekræfter dette.

Sammenligning og kontrast af materialer, Roelver viste i sin Graphene Week-præsentation, at de værste tilfælde af grafen-scenarier stort set matcher en siliciumreference. I bedste fald, resultatet er en enorm forbedring i forhold til silicium, med meget lavere kildestrøm og effektkrav for en given Hall-følsomhed. Kort sagt, graphene sørger for en højtydende magnetisk sensor med lave strøm- og fodaftrykskrav.

Med hensyn til hårde tal, det bemærkelsesværdige resultat vist af Roelver var centreret om en direkte sammenligning mellem følsomheden af ​​en siliciumbaseret Hall-sensor med Bosch-MPI grafenenheden. Siliciumsensoren har en følsomhed på 70 volt pr. amp-tesla, hvorimod med bornitrid- og grafenanordningen er tallet 7, 000. Det er en forbløffende forbedring af to størrelsesordener, derfor reaktionen i Graphene Week-konferencesalen.

Efter at have opsummeret dette fantastiske forskningsresultat, Roelver konkluderede med en høj tone, understreger, at Bosch tager grafen meget alvorligt som en fremtidig kommerciel teknologi.

"Vi er glade for at se, at Graphene Week er blevet valgt som forum for at afsløre en så vigtig teknologisk milepæl, " siger Andrea Ferrari, formand for direktionen for Flagskibet Grafen. "Boschs opfordring til storarealintegrering af grafen i industrielle processer matcher og validerer fuldt ud flagskibets planlagte investeringer i dette kritiske område til masseproduktion af enheder."