Terrasvormig grafeen voor ultragevoelige magnetische veldsensor

Natuurkundigen van de National University of Singapore hebben een gevoelige tweedimensionale (2-D) magnetische veldsensor ontwikkeld, die mogelijk de detectie van magnetische domeinen op nanoschaal voor gegevensopslagtoepassingen kan verbeteren.

Magnetoresistance (MR), de verandering in de elektrische weerstand van een materiaal als gevolg van de invloed van een extern magnetisch veld, wordt veel gebruikt in magnetische sensoren, magnetische geheugens en harde schijven. In traditionele driedimensionale (3D) op materialen gebaseerde magnetische sensoren die gebruikmaken van gigantische MR (GMR) of tunneling MR (TMR) spin-kleppen, vervalt het detecteerbare signaal van het magnetische veld exponentieel met de dikte van de detectielaag. . Dit beperkt de ruimtelijke resolutie en gevoeligheid van de sensoren. Daarom kan een 2-D-gebaseerde sensor mogelijk de detectie van minuscule magnetische velden verbeteren, aangezien het verval beperkt is tot slechts één atomaire laagdikte.

Grafeen is een atoomdik dun materiaal met een hoge mobiliteit en een hoge stroomvoerende capaciteit. Door een grafeenlaag toe te voegen bovenop een kunstmatig terrassubstraat, heeft het onderzoeksteam onder leiding van prof Ariando van de afdeling natuurkunde, NUS een 2-D magnetische sensor ontwikkeld met een elektrische weerstand die de oorspronkelijke waarde in de kamer 50-voudig kan verhogen. temperatuur. Dit is tien keer hoger dan dat gerapporteerd op eerdere enkellaagse grafeenapparaten onder dezelfde omstandigheden.

De detectie van magnetische domeinen op nanoschaal is een fundamentele uitdaging. Aangezien magnetische domeinen kleiner worden (nanoschaal), moeten de afmetingen van de sensor dienovereenkomstig worden verkleind om de hoge ruimtelijke resolutie en signaal-ruisverhouding te behouden. Bij traditionele op 3D-materialen gebaseerde sensoren zal de verkleining echter leiden tot thermische magnetische ruis en instabiliteit van het draaimoment. De recente ontdekking door het team maakt de weg vrij voor de ontwikkeling van 2-D magnetische veldsensoren die bij kamertemperatuur kunnen werken voor de detectie van magnetische domeinen op nanoschaal. Dit kan de prestaties van magnetometrie-, biosensing- en magnetische opslagtoepassingen met scansonde verbeteren.

De heer Junxiong Hu, een Ph.D. student van het onderzoeksteam, zei: “Het kerngedeelte van de 2-D magnetische sensor is het terrasvormige grafeen dat wordt gevormd door grafeen op een atomair terrasvormig substraat te stapelen. Het proces is vergelijkbaar met het plaatsen van een tapijt op een trap.”

Vanwege zijn flexibiliteit zal het grafeen ook de morfologie van de trap repliceren. Tijdens dit proces zullen topografische golvingen en ladingsplassen worden geïnduceerd in het terrasvormige grafeen. In aanwezigheid van een magnetisch veld zal de stroom in het terrasvormige grafeen niet in een rechte lijn reizen, maar wordt deze sterk vervormd door de discontinuïteiten aan de rand van de plassen, waardoor de weerstand aanzienlijk verandert.

Prof Ariando zei: “Deze technologie heeft het potentieel om de volgende generatie van zeer gevoelige sensoren te ontwikkelen voor de detectie van de magnetische domeinen op nanoschaal. De enkellaagse grafeenfilms die voor de sensor worden gebruikt, kunnen worden vervaardigd door middel van batchproductie voor schaalbaarheid.”

Het onderzoeksteam heeft patent aangevraagd op de uitvinding. Na deze proof-of-concept-studie zijn de onderzoekers van plan om de terrasgeometrie verder te optimaliseren en aan te passen voor grootschalige productietechnieken. Dit zal vervolgens hun experimentele resultaten opschalen, wat leidt tot de productie van wafers van industriële grootte voor commercieel gebruik.