Grafeen-sensoren vinden subtiliteiten in magnetische velden

Net als bij acteurs en operazangers, helpt het bij het meten van magnetische velden om bereik te hebben.

Cornell-onderzoekers gebruikten een ultradunne ‘sandwich’ van grafeen om een ​​kleine magnetische veldsensor te maken die over een groter temperatuurbereik kan werken dan eerdere sensoren, terwijl hij ook minuscule veranderingen in magnetische velden detecteerde die anders verloren zouden gaan binnen een grotere magnetische achtergrond.

Onderzoekers onder leiding van Katja Nowack, assistent-professor natuurkunde, hebben deze Hall-effectsensor op micronschaal gemaakt door grafeen tussen vellen hexagonaal boornitride te klemmen, wat resulteert in een apparaat dat over een groter temperatuurbereik werkt dan eerdere Hall-sensoren.

De paper van de groep, “Magnetic Field Detection Limits for Ultraclean Graphene Hall Sensors”, gepubliceerd op 20 augustus in Nature Communications.

Het team werd geleid door Katja Nowack, assistent-professor natuurkunde aan het College of Arts and Sciences en de senior auteur van het artikel.

Nowack’s lab is gespecialiseerd in het gebruik van scansondes om magnetische beeldvorming uit te voeren. Een van hun favoriete sondes is het supergeleidende kwantuminterferentie-apparaat, of SQUID, dat goed werkt bij lage temperaturen en in kleine magnetische velden.

“We wilden het scala aan parameters dat we kunnen onderzoeken uitbreiden door dit andere type sensor te gebruiken, namelijk de Hall-effectsensor”, zegt promovendus Brian Schaefer, hoofdauteur van het artikel. “Het kan bij elke temperatuur werken, en we hebben aangetoond dat het ook tot hoge magnetische velden kan werken. Hall-sensoren zijn al eerder gebruikt bij hoge magnetische velden, maar ze zijn meestal niet in staat om kleine veranderingen in het magnetische veld bovenaan te detecteren. van dat magnetische veld. “

Het Hall-effect is een bekend fenomeen in de fysica van gecondenseerde materie. Wanneer een stroom door een monster vloeit, wordt deze gebogen door een magnetisch veld, waardoor een spanning ontstaat aan beide zijden van het monster die evenredig is met het magnetische veld.

Hall-effectsensoren worden gebruikt in een verscheidenheid aan technologieën, van mobiele telefoons tot robotica tot antiblokkeerremmen. De apparaten zijn over het algemeen opgebouwd uit conventionele halfgeleiders zoals silicium en galliumarsenide.

De groep van Nowack besloot een meer nieuwe benadering te proberen.

In de afgelopen tien jaar is het gebruik van grafeenplaten – enkele lagen koolstofatomen, gerangschikt in een honingraatrooster – enorm toegenomen. Maar grafeen-apparaten schieten vaak tekort ten opzichte van die gemaakt van andere halfgeleiders wanneer het grafeenvel rechtstreeks op een siliciumsubstraat wordt geplaatst; het grafeenvel “verfrommelt” op nanoschaal en remt zijn elektrische eigenschappen.

De groep van Nowack heeft een recent ontwikkelde techniek toegepast om het volledige potentieel van grafeen te ontsluiten: het wordt ingeklemd tussen vellen hexagonaal boornitride. Hexagonaal boornitride heeft dezelfde kristalstructuur als grafeen, maar is een elektrische isolator, waardoor de grafeenplaat plat kan liggen. Grafietlagen in de sandwichstructuur fungeren als elektrostatische poorten om het aantal elektronen af ​​te stemmen dat elektriciteit in het grafeen kan geleiden.

De sandwich-techniek werd ontwikkeld door co-auteur Lei Wang, een voormalig postdoctoraal onderzoeker bij het Kavli Institute in Cornell for Nanoscale Science. Wang werkte ook in het laboratorium van co-senior auteur Paul McEuen, de John A. Newman Professor of Physical Science en co-voorzitter van de Nanoscale Science and Microsystems Engineering (NEXT Nano) Task Force, onderdeel van het Radical Collaboration-initiatief van de provoost.

“De inkapseling met hexagonaal boornitride en grafiet maakt het elektronische systeem ultrastrak”, aldus Nowack. “Dat stelt ons in staat om met nog lagere elektronendichtheden te werken dan voorheen, en dat is gunstig voor het versterken van het Hall-effectsignaal waarin we geïnteresseerd zijn.”

De onderzoekers waren in staat om een ​​Hall-sensor op micronschaal te maken die net zo goed functioneert als de beste Hall-sensoren die bij kamertemperatuur worden gerapporteerd, terwijl hij beter presteert dan elke andere Hall-sensor bij temperaturen zo laag als 4,2 kelvin (of minus 452,11 graden Fahrenheit).

De grafeensensoren zijn zo nauwkeurig dat ze kleine fluctuaties in een magnetisch veld kunnen detecteren tegen een achtergrondveld dat zes ordes van grootte groter is (of een miljoen keer zo groot). Het detecteren van dergelijke nuances is een uitdaging voor zelfs hoogwaardige sensoren, omdat in een hoog magnetisch veld de spanningsrespons niet-lineair wordt en daarom moeilijker te ontleden.

Nowack is van plan de grafeen Hall-sensor op te nemen in een scanning-sondemicroscoop voor het afbeelden van kwantummaterialen en het onderzoeken van fysische verschijnselen, zoals hoe magnetische velden onconventionele supergeleiding vernietigen en de manieren waarop stroom vloeit in speciale materiaalklassen, zoals topologische metalen.

“Magnetische veldsensoren en Hall-sensoren zijn belangrijke onderdelen van veel toepassingen in de echte wereld”, zei Nowack. “Dit werk zet ultrastrak grafeen echt op de kaart omdat het een superieur materiaal is om Hall-sondes van te bouwen. Het zou voor sommige toepassingen niet echt praktisch zijn omdat het moeilijk is om deze apparaten te maken. Maar er zijn verschillende paden voor materiaalgroei en geautomatiseerde assemblage van de sandwich die mensen aan het verkennen zijn. Als je eenmaal de sandwich van grafeen hebt, kun je hem overal neerzetten en integreren met bestaande technologie. ”