霍尔效应传感器发现磁场中的细微差别

超薄石墨烯“三明治”

使用超薄石墨烯“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，否则这些变化可能会在更大的磁场背景中丢失。

「“三明治”结构用作超灵敏霍尔效应器件」

提供霍尔效应传感器

由物理学助理教授卡佳·诺瓦克（Katja Nowack）领导的研究人员创造了这种微米级的霍尔效应传感器，从而使该器件可在比以前的霍尔传感器更大的温度范围内工作。

该小组的论文“超净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。

Nowack的实验室专注于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。

「霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器」

博士生Brian Schaefer表示：

“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从手机到机器人技术到防抱死制动器的各种技术。这些设备通常由诸如硅和砷化镓之类的常规半导体制成。

「石墨烯霍尔效应传感器发现磁场中的细微差别」

Nowack的小组决定尝试一种更新颖的方法

石墨烯片的使用蓬勃发展，即以蜂窝状晶格排列的单层碳原子。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满足由其他半导体制成的器件的需求。石墨烯片在纳米级“皱缩”，抑制了其电性能。

诺瓦克的小组采用了一种最新开发的技术，通过将石墨烯夹在二维化合物半导体六方氮化硼片之间来释放其全部潜力。六方氮化硼具有与石墨烯相同的晶体结构，但可以使石墨烯片平放。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。

「微米级霍尔传感器的性能」

“六方氮化硼和石墨的封装使电子系统超净，”诺瓦克说，“这使我们能够以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。”

「超净石墨烯霍尔传感器」

研究人员能够创制一个微米级的霍尔传感器，其功能与室温下报道的最佳霍尔传感器一样好，而在温度低至4.2开尔文（或华氏452.11华氏度）的情况下，其性能优于任何其他霍尔传感器。

这种二维传感器非常精确，它们可以识别出相对于背景磁场的微小磁场波动，该背景磁场比该波动磁场要大六个数量级（或者说是其大小的一百万倍）。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。

「拓扑绝缘体」

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的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。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。”