Forskere afslører mekanismen bag elektrisk feltdetektion i grafensensorer i mikroskala

Evnen til at fornemme størrelsen og polariteten af ​​et elektrisk felt er af stor videnskabelig interesse. Anvendelser omfatter tidlig forudsigelse af lyn og detektering af supersoniske fly. I øjeblikket er feltmøller almindeligt anvendte elektriske feltsensorer. Mens de kan detektere elektriske felter med enten polaritet og størrelsesfelt så lavt som 1 V/m, hindrer den store størrelse (>1m) deres brede anvendelse til virkelige applikationer. Også motoren inde i markmøllen, som muliggør detektering af det elektriske felt, er tilbøjelig til at fejle. Der er gjort nogle bestræbelser på at miniaturisere den elektriske feltsensor ved at introducere MEMS-baserede sensorer. Selvom de er små og ikke involverer nogen bevægelige dele, gør den komplekse fremstillingsproces disse sensorer mindre omkostningseffektive.

Forskere ved Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) og Otowa Electric Co., Ltd., en førende producent af lynbeskyttelsesudstyr, begyndte at lede efter et bedre alternativ. Deres undersøgelse førte til grafen, et todimensionelt materiale med et atoms tykkelse. "Det er velkendt, at bærertætheden i grafen er meget følsom over for eksterne forstyrrelser. En sådan ændring i bærertætheden afspejles i drænstrømmen. Selvom der var nogle forsøg og forslag om at bruge grafen som en elektrisk feltsensor, var der ingen af ​​de tidligere Works etablerede den underliggende mekanisme for elektrisk feltføling i grafen. Vi indså, at det er afgørende at etablere mekanismen først for at foretage en forbedring af sensoren, hvilket blev vores primære mål," siger seniorlektor Manoharan Muruganathan.

Gennem en række eksperimenter etablerede holdet endelig mekanismen for elektrisk feltføling i grafen. De fandt ud af, at overførslen af ​​ladninger mellem grafen og fælderne ved SiO₂ /graphene-grænsefladen under anvendelse af et elektrisk felt er et afgørende fænomen i sansemekanismen. En sådan overførsel af ladninger og den resulterende ændring i bærertæthed afspejles som drænstrømændringen. Retningen for ladningsoverførsel afhænger af polariteten af ​​det elektriske felt. Elektronerne overføres fra fælder til grafen under et positivt elektrisk felt, hvorimod de overføres fra grafen til fælder under et negativt elektrisk felt. Ændringen i drænstrøm under et elektrisk felt er således modsat for positive og negative elektriske felter, hvilket gør det lettere at detektere feltets polaritet. Derudover afhænger antallet af ladningsbærere, der overføres mellem grafen og fælderne, af størrelsen af ​​det elektriske felt. Jo højere det elektriske felt er, jo større bevæger elektronerne sig mellem grafen og fælderne. Forskellen i mængden af ​​overført ladning afspejles også i drænstrømmen. Således kan drænstrømsvariationen under påføring af et elektrisk felt sidestilles med størrelsen af ​​det elektriske felt. + Udforsk yderligere

Grafen-adsorbat van der Waals-bindingshukommelse inspirerer 'smarte' grafensensorer