石墨烯二维传感器发现磁场中的细微差别

石墨烯和二维六方氮化硼“三明治”结构用作超灵敏霍尔效应器件

康奈尔大学的研究人员用夹在二维六方氮化硼片之间的石墨烯，制备了一个微型磁场传感器，相比之前的传感器，它可以在更大的温度范围内工作，还能检测出磁场的微小变化，这些变化原来可能会在更大的磁场背景下丢失。

由物理学助理教授卡佳·诺瓦克（Katja Nowack）领导的研究人员制备了这种微米级的霍尔效应传感器，以使其能够在更大的温度范围内工作。该小组的论文“超清洁石墨烯霍尔传感器的磁场检测极限”已于8月20日在《自然通讯》上发表。

诺瓦克的实验室专注于研究使用扫描探针进行磁成像。他们的首选探头之一是超导量子干涉设备，即SQUID，它在低温和小磁场下都能很好地工作。

“我们希望能扩展我们可以探索的参数范围，这需要通过使用其他类型的传感器，即霍尔传感器，”该论文的主要作者、博士生Brian Schaefer说，“它可以在任何温度下工作，我们已经证明它也可以在强磁场下工作。霍尔传感器以前曾在强磁场下使用过，但是它们通常无法检测到磁场顶部的微小磁场变化。”

霍尔效应是凝聚态物理学中一个众所周知的现象。当电流流过样品时，它会在磁场作用下弯曲，从而在样品的两侧产生与磁场成比例的电压。霍尔传感器用于各种技术，从手机到机器人技术再到防抱死制动系统。这些设备通常由诸如硅和砷化镓的常规半导体制成。

诺瓦克的小组决定尝试一种更新颖的方法。

在过去的十年中，石墨烯片材的使用正蓬勃发展，石墨烯片材是呈蜂窝状排列的单层碳原子。但是，当将石墨烯片直接放置在硅基板上时，石墨烯器件通常无法达到由其他半导体制成的器件的要求。石墨烯片会在纳米级上皱缩，从而抑制其电性能。

诺瓦克的小组采用了一种最新开发的技术，通过将石墨烯夹在二维 六方氮化硼片之间来释放其全部潜力。六方氮化硼具有与石墨烯相同的晶体结构，但可以使石墨烯片平放。夹层结构中的石墨层充当静电门，以调节可在石墨烯中导电的电子数量。

三明治技术是由合著者之一的Lei Wang开创的，Lei Wang是康奈尔大学纳米科学部Kavli研究所的前博士后。Wang还曾在共同资深作者Paul McEuen的实验室工作，他是John A. Newman物理科学教授，也是纳米学和微系统工程（NEXT Nano）任务组的共同主席，该组是教务长自由协作计划的一部分。

“六方氮化硼和石墨的封装使电子系统超净，”诺瓦克说，“这使我们能够以更低的电子密度工作，这对于增强我们感兴趣的霍尔效应信号是有利的。”

研究人员能够创制一个微米级的霍尔传感器，其功能与室温下报道的最佳霍尔传感器一样好，而在温度低至4.2开尔文（或华氏452.11华氏度）的情况下，其性能优于任何其他霍尔传感器。

这种二维传感器非常精确，它们可以识别出相对于背景磁场的微小磁场波动，该背景磁场比该波动磁场要大六个数量级（或者说是其大小的一百万倍）。即使对于高质量的传感器，检测这种细微差别也是一个挑战，因为在高磁场中，电压响应变为非线性，因此更难解析。

诺瓦克计划将石墨烯霍尔传感器整合到扫描探针显微镜中，以对量子材料进行成像并探索物理现象，例如磁场如何破坏非常规的超导性以及电流在特殊材料（例如拓扑金属）中的流动方式。

“磁场传感器和霍尔传感器是许多现实应用中的重要组成部分，”诺瓦克说，"这项工作让超净石墨烯真正成为了构建霍尔探头的优质材料。这在某些应用中并不实际，因为很难制造这些器件。但是，人们正在探索不同的材料生长途径和三明治结构的自组装。一旦你有了石墨烯三明治结构，你就可以把它放在任何地方，并与现有的技术进行集成。"