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化合物半导体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。"