用于超灵敏磁场传感器的梯形石墨烯

图显示（左）梯状单层石墨烯形成的概念。这类似于亚洲广泛用于农业的梯田。（右）钛酸锶（STO，左上）和裸 STO 基板（右下）上石墨烯梯状形态的原子力显微镜图像。学分：先进材料

新加坡国立大学的物理学家开发了一种灵敏的二维 (2-D) 磁场传感器，它可以潜在地改进用于数据存储应用的纳米级磁畴的检测。

磁阻 (MR) 是由于外部磁场的影响而引起的材料电阻变化，已广泛用于磁传感器、磁存储器和硬盘驱动器。然而，在使用巨型 MR (GMR) 或隧道 MR (TMR) 自旋阀的传统基于三维 (3-D) 材料的磁传感器中，磁场的可检测信号随其传感层的厚度呈指数衰减. 这限制了传感器的空间分辨率和灵敏度。因此，基于二维的传感器可以潜在地改进微小磁场的检测，因为衰减限于一个原子层厚度。

石墨烯是一种原子厚的薄材料，具有高迁移率和高载流能力。新加坡国立大学物理系的 Ariando 教授领导的研究小组通过在人造梯形基板上添加石墨烯层，开发出一种二维磁传感器，其电阻可以在室温下将其原始值提高 50 倍温度。这比之前在相同条件下的单层石墨烯器件上报道的高十倍。

纳米级磁畴的检测是一项基本挑战。随着磁畴变小（纳米级），传感器的尺寸需要相应减小以保持高空间分辨率和信噪比。然而，对于传统的基于 3-D 材料的传感器，尺寸的减小会导致热磁噪声和自旋扭矩不稳定。该团队最近的发现为开发可在室温下工作以检测纳米级磁畴的二维磁场传感器铺平了道路。这可以提高扫描探针磁力计、生物传感和磁存储应用的性能。

胡军雄先生，博士 研究小组的一名学生说：“二维磁传感器的核心部分是通过将石墨烯堆叠在原子阶梯状基板上形成的阶梯状石墨烯。这个过程类似于在楼梯上放置地毯。”

由于其灵活性，石墨烯还将复制楼梯形态。在此过程中，将在梯状石墨烯中诱发地形波纹和电荷水坑。在存在磁场的情况下，阶梯状石墨烯中的电流不会沿直线传播，而是会被水坑边界处的不连续性强烈扭曲，从而导致其电阻发生显着变化。

Ariando 教授说：“这项技术有可能开发用于检测纳米级磁畴的下一代高灵敏度传感器。用于传感器的单层石墨烯薄膜可以通过批量生产来实现可扩展性。”

该研究团队已为该发明申请了专利。在这项概念验证研究之后，研究人员计划进一步优化梯田几何形状并使其适应大规模生产技术。然后，这将扩大他们的实验结果，从而制造出工业规模的晶圆用于商业用途。