圖 1：示意圖顯示了石墨烯傳感器中（a）正電場(chǎng)和（b）負(fù)電場(chǎng)的電場(chǎng)傳感機(jī)制。在正電場(chǎng)的情況下，電子從 SiO2 層被吸引到石墨烯通道。相反，電子從石墨烯通道轉(zhuǎn)移到負(fù)電場(chǎng)的 SiO2 層中的陷阱。圖片來(lái)源：日本科學(xué)技術(shù)高等研究院

感知電場(chǎng)大小和極性的能力具有重要的科學(xué)意義。應(yīng)用包括閃電的早期預(yù)測(cè)和超音速飛機(jī)的探測(cè)。目前，場(chǎng)磨機(jī)是廣泛使用的電場(chǎng)傳感器。雖然它們可以檢測(cè)任何極性的電場(chǎng)和強(qiáng)度低至 1 V/m 的電場(chǎng)，但大尺寸 (>1m) 阻礙了它們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中的廣泛使用。此外，能夠檢測(cè)電場(chǎng)的場(chǎng)磨機(jī)內(nèi)部的電機(jī)容易發(fā)生故障。通過(guò)引入基于 MEMS 的傳感器，已經(jīng)做出了一些努力來(lái)使電場(chǎng)傳感器小型化。雖然它們很小并且不涉及任何移動(dòng)部件，但復(fù)雜的制造過(guò)程使這些傳感器的成本效益降低。

日本先進(jìn)科學(xué)技術(shù)研究所 (JAIST) 和領(lǐng)先的防雷設(shè)備制造商音羽電氣株式會(huì)社的研究人員開始尋找更好的替代方案。他們的研究導(dǎo)致了石墨烯，一種原子厚度的二維材料�！氨娝�周知，在石墨烯中的載流子密度對(duì)外部擾動(dòng)高度敏感。在載流子密度的這種改變反映在漏極電流。雖然有一些嘗試，并建議使用石墨烯作為電場(chǎng)傳感器，以前的工作都沒(méi)有建立石墨烯中電場(chǎng)傳感的潛在機(jī)制。我們意識(shí)到首先建立機(jī)制以對(duì)傳感器進(jìn)行任何改進(jìn)至關(guān)重要，這成為我們的主要目標(biāo)，”高級(jí)講師 Manoharan Muruganathan 說(shuō)。

通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)最終確立了石墨烯中電場(chǎng)感應(yīng)的機(jī)制。他們發(fā)現(xiàn)石墨烯與 SiO 2處的陷阱之間的電荷轉(zhuǎn)移電場(chǎng)作用下的石墨烯界面是傳感機(jī)制中的關(guān)鍵現(xiàn)象。這種電荷轉(zhuǎn)移和由此產(chǎn)生的載流子密度變化反映為漏極電流變化。電荷轉(zhuǎn)移的方向取決于電場(chǎng)的極性。電子在正電場(chǎng)下從陷阱轉(zhuǎn)移到石墨烯，而在負(fù)電場(chǎng)下它們從石墨烯轉(zhuǎn)移到陷阱。因此，電場(chǎng)下漏極電流的變化對(duì)于正電場(chǎng)和負(fù)電場(chǎng)是相反的，從而更容易檢測(cè)電場(chǎng)的極性。此外，在石墨烯和陷阱之間轉(zhuǎn)移的電荷載流子的數(shù)量取決于電場(chǎng)的大小。電場(chǎng)越高，在石墨烯和陷阱之間移動(dòng)的電子越大。轉(zhuǎn)移電荷量的差異也反映在漏極電流中。因此，施加電場(chǎng)下的漏極電流變化可以等同于電場(chǎng)的大小。