Onderzoekers ontdekken het mechanisme van elektrische velddetectie in grafeensensoren op microschaal

Het vermogen om de grootte en polariteit van een elektrisch veld te voelen is van groot wetenschappelijk belang. Toepassingen zijn onder meer vroege voorspelling van bliksem en detectie van supersonische vliegtuigen. Momenteel zijn veldmolens veelgebruikte elektrische veldsensoren. Hoewel ze elektrische velden met een polariteit en een grootte van slechts 1 V/m kunnen detecteren, belemmert de grote afmeting (>1m) hun brede gebruik voor real-life toepassingen. Ook de motor in de veldfrees, die de detectie van het elektrische veld mogelijk maakt, is storingsgevoelig. Er zijn enkele pogingen gedaan om de elektrische veldsensor te miniaturiseren door op MEMS gebaseerde sensoren te introduceren. Hoewel ze klein zijn en geen bewegende delen bevatten, maakt het complexe fabricageproces deze sensoren minder kosteneffectief.

Onderzoekers van het Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) en Otowa Electric Co., Ltd., een toonaangevende fabrikant van bliksembeveiligingsapparatuur, gingen op zoek naar een beter alternatief. Hun onderzoek leidde tot grafeen, een tweedimensionaal materiaal met een dikte van één atoom. “Het is algemeen bekend dat de dragerdichtheid in grafeen zeer gevoelig is voor externe verstoringen. Een dergelijke verandering in dragerdichtheid wordt weerspiegeld in de afvoerstroom. Hoewel er enige poging en voorstel was om grafeen als een elektrische veldsensor te gebruiken, was geen van de eerdere Works heeft het onderliggende mechanisme van elektrische velddetectie in grafeen vastgesteld. We realiseerden ons dat het van vitaal belang is om eerst het mechanisme vast te stellen om enige verbetering in de sensor aan te brengen, wat ons primaire doel werd”, zegt hoofddocent Manoharan Muruganathan.

Door een reeks experimenten heeft het team uiteindelijk het mechanisme van elektrische velddetectie in grafeen vastgesteld. Ze ontdekten dat de overdracht van ladingen tussen grafeen en de vallen op de SiO₂/grafeen-interface onder toepassing van een elektrisch veld is een cruciaal fenomeen in het detectiemechanisme. Een dergelijke overdracht van ladingen en de resulterende verandering in dragerdichtheid worden weerspiegeld als de afvoerstroomverandering. De richting van de ladingsoverdracht hangt af van de polariteit van het elektrische veld. De elektronen worden overgedragen van vallen naar grafeen onder een positief elektrisch veld, terwijl ze worden overgebracht van grafeen naar vallen onder een negatief elektrisch veld. De verandering in afvoerstroom onder een elektrisch veld is dus tegengesteld voor positieve en negatieve elektrische velden, waardoor het gemakkelijker wordt om de polariteit van het veld te detecteren. Bovendien hangt het aantal ladingsdragers dat wordt overgedragen tussen grafeen en de vallen af ​​van de grootte van het elektrische veld. Hoe hoger het elektrische veld, hoe groter de elektronen bewogen tussen grafeen en de vallen. Het verschil in de hoeveelheid overgedragen lading wordt ook weerspiegeld in de afvoerstroom. De variatie van de afvoerstroom onder het aanleggen van een elektrisch veld kan dus worden gelijkgesteld aan de grootte van het elektrische veld.