Grafensensorer finder finesser i magnetiske felter

Som med skuespillere og operasangere, når man måler magnetiske felter, hjælper det at have rækkevidde.

Cornell-forskere brugte en ultratynd grafen "sandwich" til at skabe en lille magnetisk feltsensor, der kan fungere over et større temperaturområde end tidligere sensorer, samtidig med at de opdager minimale ændringer i magnetiske felter, der ellers kunne gå tabt inden for en større magnetisk baggrund.

Forskere ledet af Katja Nowack, adjunkt i fysik, skabte denne Hall-effekt sensor i mikronskala ved at sætte grafen mellem plader af sekskantet bornitrid, hvilket resulterer i en enhed, der fungerer over et større temperaturområde end tidligere Hall-sensorer.

Gruppens papir, "Magnetiske feltdetektionsgrænser for ultrarene grafen Hall-sensorer, " udgivet 20. august i Naturkommunikation .

Holdet blev ledet af Katja Nowack, assisterende professor i fysik ved College of Arts and Sciences og avisens seniorforfatter.

Nowacks laboratorium har specialiseret sig i at bruge scanningsonder til at udføre magnetisk billeddannelse. En af deres go-to-prober er den superledende kvanteinterferensenhed, eller Blæksprutte, som fungerer godt ved lave temperaturer og i små magnetfelter.

"Vi ønskede at udvide rækken af ​​parametre, som vi kan udforske ved at bruge denne anden type sensor, som er Hall-effekt sensoren, " sagde ph.d.-studerende Brian Schaefer, avisens hovedforfatter. "Det kan fungere ved enhver temperatur, og vi har vist, at den også kan arbejde op til høje magnetfelter. Hall-sensorer har været brugt ved høje magnetfelter før, men de er normalt ikke i stand til at opdage små magnetfeltændringer oven på det magnetiske felt."

Hall-effekten er et velkendt fænomen i det kondenserede stofs fysik. Når en strøm løber gennem en prøve, det bøjes af et magnetfelt, skabe en spænding på tværs af begge sider af prøven, der er proportional med magnetfeltet.

Hall-effekt sensorer bruges i en række forskellige teknologier, fra mobiltelefoner til robotter til blokeringsfri bremser. Enhederne er generelt bygget af konventionelle halvledere som silicium og galliumarsenid.

Nowacks gruppe besluttede at prøve en mere ny tilgang.

Det sidste årti har set et boom i brugen af ​​grafenplader - enkeltlag af kulstofatomer, arrangeret i et honeycomb gitter. Men grafenenheder mangler ofte dem, der er lavet af andre halvledere, når grafenarket placeres direkte på et siliciumsubstrat; grafenarket "krøller" på nanoskalaen, hæmmer dets elektriske egenskaber.

Nowacks gruppe adopterede en nyligt udviklet teknik til at låse op for grafens fulde potentiale - at sætte det ind mellem plader af sekskantet bornitrid. Sekskantet bornitrid har samme krystalstruktur som grafen, men er en elektrisk isolator, som tillader grafenpladen at ligge fladt. Grafitlag i sandwichstrukturen fungerer som elektrostatiske porte til at indstille antallet af elektroner, der kan lede elektricitet i grafenet.

Sandwichteknikken blev pioneret af medforfatter Lei Wang, en tidligere postdoc forsker ved Kavli Instituttet ved Cornell for Nanoscale Science. Wang arbejdede også i laboratoriet hos co-senior forfatter Paul McEuen, John A. Newman professor i fysisk videnskab og medformand for Task Force for Nanoscale Science and Microsystems Engineering (NEXT Nano), en del af prostens initiativ Radikalt Samarbejde.

"Indkapslingen med sekskantet bornitrid og grafit gør det elektroniske system ultrarent, " sagde Nowack. "Det giver os mulighed for at arbejde ved endnu lavere elektrontætheder, end vi kunne før, og det er gunstigt for at booste det Hall-effekt-signal, vi er interesserede i."

Forskerne var i stand til at skabe en Hall-sensor i mikronskala, der fungerer såvel som de bedste Hall-sensorer rapporteret ved stuetemperatur, mens de udkonkurrerede enhver anden Hall-sensor ved temperaturer så lave som 4,2 kelvin (eller minus 452,11 grader Fahrenheit).

Grafensensorerne er så præcise, at de kan udvælge små udsving i et magnetfelt mod et baggrundsfelt, der er seks størrelsesordener større (eller en million gange dets størrelse). At opdage sådanne nuancer er en udfordring for selv højkvalitetssensorer, fordi i et højt magnetfelt, spændingsresponsen bliver ulineær og derfor sværere at parse.

Nowack planlægger at inkorporere grafen Hall-sensoren i et scanningsprobemikroskop til billeddannelse af kvantematerialer og udforskning af fysiske fænomener, såsom hvordan magnetiske felter ødelægger ukonventionel superledning og den måde, hvorpå strømmen flyder i særlige klasser af materialer, såsom topologiske metaller.

"Magnetiske feltsensorer og Hall-sensorer er vigtige dele af mange applikationer i den virkelige verden, " sagde Nowack. "Dette arbejde sætter ultraren grafen virkelig på kortet for at være et overlegent materiale at bygge Hall-sonder ud af. Det ville ikke være rigtig praktisk for nogle applikationer, fordi det er svært at lave disse enheder. Men der er forskellige veje til materialevækst og automatiseret samling af sandwichen, som folk udforsker. Når du har grafen sandwich, du kan placere den hvor som helst og integrere den med eksisterende teknologi."