研究人员研发二维传感器能够探测细微的磁场

石墨烯和二维六方氮化硼“三明治”作为超灵敏霍尔效应器件

研究人员在先前的二维磁场中探测到的微小的硼原子时，可能会在二维磁场中产生更大的磁场变化。

由物理学助理教授katjanowack领导的研究人员发明了这种微米级的霍尔效应传感器，使其能够在比以前的霍尔传感器更大的温度范围内工作。该组织的论文《超清洁石墨烯霍尔传感器的磁场检测极限》于8月20日在《自然通讯》上发表。

诺瓦克的实验室专门使用扫描探针进行磁成像。超导量子干涉仪（SQUID）是他们的首选探测器之一，它在低温和小磁场下工作良好。

论文的主要作者、博士生布莱恩·谢弗（Brian Schaefer）说：“我们希望通过使用另一种类型的传感器，即霍尔效应传感器，扩大我们可以探索的参数范围。”它可以在任何温度下工作，我们已经证明它也可以工作到高磁场。霍尔传感器以前曾在高磁场下使用过，但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中一个著名的现象。当电流流过样品时，它被磁场弯曲，在样品两侧产生一个与磁场成正比的电压。霍尔效应传感器应用于各种技术，从手机到机器人到防抱死刹车。这些器件通常是由硅和砷化镓等传统半导体制成的。

诺瓦克的小组决定尝试一种更新颖的方法。

在过去的十年里，石墨烯薄膜的应用出现了激增，石墨烯是一种单层碳原子，排列在蜂窝状晶格中。但是当石墨烯片直接放在硅衬底上时，石墨烯器件往往达不到其他半导体器件的性能；石墨烯片在纳米尺度上会发生皱缩，从而抑制了其电性能。

诺瓦克的研究小组采用了一种最新开发的技术，将石墨烯夹在二维化合物半导体六边形氮化硼片之间，释放出石墨烯的全部潜力。六边形BN与石墨烯具有相同的晶体结构，但它允许石墨烯薄片平躺。三明治结构中的石墨层充当静电门，调节石墨烯中导电的电子数量。

这种三明治技术是由合作者王磊（音译）首创的，他曾是康奈尔大学卡夫利纳米科学研究所的博士后研究员。王还曾在联合资深作家保罗·麦克尤恩（Paul McEuen）的实验室工作，他是约翰·A·纽曼（John A.Newman）物理科学教授，也是纳米科学和微系统工程（NEXT Nano）特别工作组的联合主席，这是教务长激进合作计划的一部分。

诺瓦克说：“六边形氮化硼和石墨的封装使电子系统超清洁。”这使得我们可以在比以前更低的电子密度下工作，这有利于增强我们感兴趣的霍尔效应信号。”

研究人员能够制造出一种微米级的霍尔传感器，它在室温下的性能和其他霍尔传感器一样好，而在低至4.2开尔文（或零下452.11华氏度）的温度下表现优于其他任何霍尔传感器。

这种二维传感器非常精确，能够在背景磁场中检测出磁场中的微小波动，背景磁场比背景磁场大6个数量级（或其大小的100万倍）。即使是高质量的传感器，检测这种细微差别也是一个挑战，因为在高磁场中，电压响应变得非线性，因此更难解析。

诺瓦克计划将石墨烯霍尔传感器集成到扫描探针显微镜中，以成像量子材料并探索物理现象，例如磁场如何破坏非常规超导电性以及电流在拓扑金属等特殊类别材料中的流动方式。

诺瓦克说：“磁场传感器和霍尔传感器是许多实际应用的重要组成部分。”这项工作使超清洁石墨烯真正成为制造霍尔探测器的优质材料。对于某些应用来说，这并不实用，因为制造这些设备很困难。但是，人们正在探索的三明治材料生长和自动组装有着不同的路径。一旦你有了石墨烯三明治，你就可以把它放在任何地方，并将其与现有技术相结合。”