康奈爾大學的研究人員使用超薄石墨烯“三明治”制造了一個微型磁場傳感器，該傳感器可以在比以前的傳感器更大的溫度范圍內(nèi)工作，同時還可以檢測磁場中的微小變化，否則這些變化可能會在更大的磁場背景中丟失。

提供霍爾效應(yīng)傳感器

由物理學助理教授卡佳·諾瓦克（Katja Nowack）領(lǐng)導的研究人員通過將石墨烯夾在六方氮化硼片之間來創(chuàng)建了這種微米級的霍爾效應(yīng)傳感器，從而使該器件可在比以前的霍爾傳感器更大的溫度范圍內(nèi)工作。

該小組的論文“超凈石墨烯霍爾傳感器的磁場檢測極限”于8月20日在《自然通訊》上發(fā)表。

該團隊由文理學院物理助理教授卡特婭·諾瓦克（Katja Nowack）領(lǐng)導，該論文的高級作者。

Nowack的實驗室專門研究使用掃描探針進行磁成像。他們的首選探頭之一是超導量子干涉設(shè)備，即SQUID，它在低溫和小磁場下都能很好地工作。

該論文的主要作者，博士生Brian Schaefer說：“我們希望通過使用其他類型的傳感器（霍爾效應(yīng)傳感器）來擴展我們可以探索的參數(shù)范圍�！� “它可以在任何溫度下工作，我們已經(jīng)證明它也可以在強磁場下工作。霍爾傳感器以前曾在強磁場下使用，但是它們通常無法檢測到頂部的微小磁場變化磁場�！�

霍爾效應(yīng)是凝聚態(tài)物理學中眾所周知的現(xiàn)象。當電流流過樣品時，它會在磁場作用下彎曲，從而在樣品的兩側(cè)產(chǎn)生與磁場成比例的電壓。

霍爾效應(yīng)傳感器用于各種技術(shù)，從手機到機器人技術(shù)再到防抱死制動系統(tǒng)。這些設(shè)備通常由諸如硅和砷化鎵之類的常規(guī)半導體制成。

Nowack的小組決定嘗試一種更新穎的方法。

在過去的十年中，石墨烯片的使用蓬勃發(fā)展，即以蜂窩狀晶格排列的單層碳原子。但是，當將石墨烯片直接放置在硅基板上時，石墨烯器件通常無法滿足由其他半導體制成的器件的需求。石墨烯片在納米級“皺縮”，從而抑制了其電性能。

Nowack的小組采用了最新開發(fā)的技術(shù)來釋放石墨烯的全部潛力-將其夾在六方氮化硼片之間。六方氮化硼具有與石墨烯相同的晶體結(jié)構(gòu)，但是電絕緣體，可使石墨烯片平放。夾層結(jié)構(gòu)中的石墨層充當靜電門，以調(diào)節(jié)可在石墨烯中導電的電子數(shù)量。

三明治技術(shù)是由合著者之一的王力開創(chuàng)的，王力是康奈爾大學納米科學部Kavli研究所的前博士后。Wang還曾是共同資深作者Paul McEuen，John A.Newman物理科學教授，納米級科學和微系統(tǒng)工程（NEXT Nano）工作組聯(lián)合主席的實驗室工作，該組是教務(wù)長的自由基協(xié)作計劃的一部分。

Nowack說：“用六方氮化硼和石墨進行的封裝使電子系統(tǒng)超凈。” “這使我們可以在比以前更低的電子密度下工作，并且有利于增強我們感興趣的霍爾效應(yīng)信號�！�

研究人員能夠創(chuàng)建一個微米級的霍爾傳感器，其功能與室溫下報告的最佳霍爾傳感器一樣好，而在溫度低至4.2開爾文（或華氏452.11華氏度）的情況下，其性能優(yōu)于任何其他霍爾傳感器。

石墨烯傳感器非常精確，它們可以識別出磁場中相對于背景磁場的微小波動，該背景磁場要大六個數(shù)量級（或大小的一百萬倍）。即使對于高質(zhì)量的傳感器，檢測這種細微差別也是一個挑戰(zhàn)，因為在高磁場中，電壓響應(yīng)變?yōu)榉蔷�性，因此更難解析。

Nowack計劃將石墨烯霍爾傳感器整合到掃描探針顯微鏡中，以對量子材料成像并探索物理現(xiàn)象，例如磁場如何破壞非常規(guī)超導性以及電流在特殊材料（例如拓撲金屬）中的流動方式。

Nowack說：“磁場傳感器和霍爾傳感器是許多現(xiàn)實應(yīng)用中的重要組成部分。” “這項工作確實使超凈石墨烯成為制造霍爾探針的上乘材料，它確實在地圖上。對于某些應(yīng)用而言，這是不切實際的，因為很難制造這些器件。但是材料生長和自動化的途徑不同。人們正在探索的三明治的組裝。一旦有了石墨烯三明治，就可以將其放置在任何地方，并將其與現(xiàn)有技術(shù)集成。”

合著者包括博士生Alexander Jarjour，以及日本筑波國家材料科學研究所的研究人員。

該研究得到了美國國家科學基金會和康奈爾大學材料研究中心（NSF材料研究科學與工程中心）的支持。研究人員利用了康奈爾納米級科學技術(shù)設(shè)施和哥倫比亞納米計劃的潔凈室。