石墨烯和hBN的“三明治”可以创建嵌入式传感器和显微镜

　　由康奈尔大学物理学助理教授Katja Nowack领导的康奈尔研究人员使用超薄石墨烯和六方氮化硼“三明治”制造了一个微型磁场传感器，该传感器可以在比以前的传感器更大的温度范围内工作，同时还可以检测磁场中的微小变化，以及可能会在较大的磁性背景中丢失的磁场。

　　Nowack的实验室专门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装置，即SQUID,它在低温和小磁场中都能很好地工作。

　　该论文的主要作者，博士生Brian Schaefer说：“我们希望通过使用其他类型的传感器（霍尔效应传感器）来扩展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在强磁场下工作。霍尔传感器以前曾在强磁场下使用，但是它们通常无法检测到顶部的微小磁场变化磁场。”

　　霍尔效应是凝聚态物理学中众所周知的现象。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。

　　霍尔效应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之类的常规半导体制成。而Nowack的小组决定尝试其他材料及方法。

　　在过去的十年中，石墨烯片的使用迅速增长，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。石墨烯片倾向于在纳米级“皱缩”，从而抑制其电性能。

　　Nowack的小组采用了最新开发的技术来释放石墨烯的全部潜力-将其夹在六方氮化硼片之间。六方氮化硼具有与石墨烯相同的晶体结构，但是电绝缘体，可使石墨烯片平放。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。

　　Nowack说：“用六方氮化硼和石墨进行的封装使电子系统超净。” “这使我们能够以比以前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。”

　　研究人员能够创建一个微米级的霍尔传感器，该传感器的功能与室温下报告的最佳霍尔传感器相同，而在温度低至4.2开尔文（或华氏452.11华氏度）的情况下，其性能优于其他霍尔传感器。

　　石墨烯传感器非常精确，它们可以识别出磁场相对于背景磁场的微小波动，该背景磁场要大六个数量级（或大小的一百万倍）。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。

　　Nowack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超导性以及电流在特殊材料（例如拓扑金属）中的流动方式。

　　Nowack说：“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。” “这项工作确实使超净石墨烯成为制造霍尔探针的上乘材料。这在某些应用中并不实际，因为很难制造这些设备。但是材料生长和自动化的途径不同。人们正在探索的三明治的组装。一旦有了石墨烯三明治，就可以将其放置在任何地方，并将其与现有技术集成。”

　　合着者包括博士生Alexander Jarjour,以及日本筑波大学国立材料科学研究所的研究人员。

　　信息来源： Nature Communications、Sciencedaily