Terraced grafen til ultrafølsom magnetfeltsensor

Fysikere fra National University of Singapore har udviklet en følsom todimensionel (2-D) magnetfeltsensor, som potentielt kan forbedre detektionen af ​​magnetiske domæner i nanoskala til datalagringsapplikationer.

Magnetresistens (MR), ændringen i den elektriske modstand af et materiale på grund af påvirkningen af ​​et eksternt magnetfelt, har været meget brugt i magnetiske sensorer, magnetiske hukommelser og harddiske. Imidlertid, i traditionelle tredimensionelle (3-D) materialebaserede magnetiske sensorer, der bruger gigantiske MR (GMR) eller tunneling MR (TMR) spin-ventiler, det detekterbare signal fra magnetfeltet henfalder eksponentielt med tykkelsen af ​​dets følelag. Dette begrænser sensorernes rumlige opløsning og følsomhed. Derfor, en 2-D-baseret sensor kan potentielt forbedre detekteringen af ​​små magnetiske felter, da henfaldet er begrænset til kun én atomart lagtykkelse.

Grafen er et atomtykt tyndt materiale med høj mobilitet og høj strømføringsevne. Ved at tilføje et grafenlag oven på et kunstigt terrasseret substrat, forskerholdet ledet af prof Ariando fra Institut for Fysik, NUS har udviklet en 2-D magnetisk sensor med en elektrisk modstand, der kan øge sin oprindelige værdi 50 gange ved stuetemperatur. Dette er ti gange højere end det, der er rapporteret på tidligere enkeltlags grafenenheder under samme forhold.

Detektion af magnetiske domæner i nanoskala er en grundlæggende udfordring. Efterhånden som magnetiske domæner bliver mindre (nanoskala), dimensionerne af sensoren skal reduceres tilsvarende for at opretholde den høje rumlige opløsning og signal-støj-forhold. Imidlertid, til traditionelle 3-D materialebaserede sensorer, reduktionen i størrelse vil føre til termisk magnetisk støj og spin-drejningsmoment ustabilitet. Den nylige opdagelse af holdet baner vejen for udviklingen af ​​2-D magnetfeltsensorer, der kan fungere ved stuetemperatur til detektion af magnetiske domæner i nanoskala. Dette kan forbedre ydeevnen af ​​scanning probe magnetometri, biosensing, og magnetiske lagringsapplikationer.

hr. Junxiong Hu, en ph.d. studerende på forskerholdet, sagde, "Kernedelen af ​​den 2-D magnetiske sensor er den terrasserede grafen dannet ved at stable grafen på et atomisk terrasseret substrat. Processen svarer til at placere et tæppe på en trappe."

På grund af sin fleksibilitet, grafenen vil også replikere trappemorfologien. Under denne proces, topografiske korrugeringer og ladningspytter vil blive induceret i den terrasserede grafen. I nærvær af et magnetfelt, strømmen i den terrasserede grafen vil ikke bevæge sig i en lige linje, men er stærkt forvrænget af diskontinuiteterne ved grænsen af ​​vandpytterne, forårsager en væsentlig ændring af dens modstand.

Prof Ariando sagde, "Denne teknologi har potentialet til at udvikle den næste generation af meget følsomme sensorer til detektering af de magnetiske domæner i nanoskala. De enkeltlags grafenfilm, der bruges til sensoren, kan fremstilles ved batchproduktion for skalerbarhed."

Forskerholdet har indgivet patent på opfindelsen. Efter denne proof-of-concept undersøgelse, forskerne planlægger at optimere terrassegeometrien yderligere og tilpasse den til storskala produktionsteknikker. Dette vil derefter opskalere deres eksperimentelle resultater, der fører til fremstilling af wafere i industristørrelse til kommerciel brug.