由中國、美國的物理學家組成的一個研究團隊，通過使用超薄石墨烯「三明治」製造了一種微型磁場傳感器，該傳感器可以在比以前的傳感器更大的溫度範圍內工作，同時還可以檢測磁場中的微小變化，而這些變化可能會在更大的磁場背景中丟失。
該最新研究成果論文，題為：「超淨石墨烯霍爾傳感器的磁場檢測極限」，發表在今天的《自然通訊》上。
論文第二作者、南京大學物理學院教授、王雷（Lei Wang），開發了一種三明治技術，研究團隊通過將石墨烯夾在六方氮化硼片之間來創建了這種微米級的霍爾效應傳感器，從而使該器件可在比以前的霍爾傳感器更大的溫度範圍內工作。
研究使用掃描探針進行磁成像，他們的首選探頭之一是超導量子幹涉設備，即SQUID，它在低溫和小磁場下都能很好地工作。
研究人員說：「我們希望通過使用其他類型的傳感器（霍爾效應傳感器）來擴展我們可以探索的參數範圍。」 「它可以在任何溫度下工作，我們已經證明它也可以在強磁場下工作。霍爾傳感器以前曾在強磁場下使用，但是它們通常無法檢測頂部的微小磁場變化磁場。」
霍爾效應是凝聚態物理學中眾所周知的現象。當電流流過樣品時，它會在磁場作用下彎曲，從而在樣品的兩側產生與磁場成比例的電壓。霍爾效應傳感器用於各種技術，從手機到機器人技術再到防抱死制動系統。這些設備通常由諸如矽和砷化鎵之類的常規半導體製成。
研究小組決定嘗試一種更新穎的方法。
在過去的十年中，石墨烯片的使用蓬勃發展，即以蜂窩狀晶格排列的單層碳原子。但是，當將石墨烯片直接放置在矽基板上時，石墨烯器件通常無法達到由其他半導體製成的器件的要求。石墨烯片在納米級「皺縮」，從而抑制了其電性能。
研究小組採用了一種最新開發的技術來釋放石墨烯的全部潛力，將其夾在六方氮化硼片之間。六方氮化硼具有與石墨烯相同的晶體結構，但是電絕緣體，可使石墨烯片平放。夾層結構中的石墨層充當靜電門，以調節可在石墨烯中導電的電子數量。
研究人員說：「六角形氮化硼和石墨的封裝使電子系統超淨。」 「這使我們可以在比以前更低的電子密度下工作，並且有利於增強我們感興趣的霍爾效應信號。」
研究人員能夠創建一個微米級的霍爾傳感器，其功能與室溫下報告的最佳霍爾傳感器相同，而在溫度低至4.2開爾文（或華氏452.11華氏度）的情況下，其性能優於其他霍爾傳感器。
石墨烯傳感器非常精確，它們可以識別出磁場中相對於背景磁場的微小波動，該背景磁場要大六個數量級（或大小的一百萬倍）。即使對於高質量的傳感器，檢測這種細微差別也是一個挑戰，因為在高磁場中，電壓響應變為非線性，因此更難解析。
研究團隊計劃將石墨烯霍爾傳感器整合到掃描探針顯微鏡中，以對量子材料進行成像並探索物理現象，例如磁場如何破壞非常規的超導性以及電流在特殊材料（例如拓撲金屬）中的流動方式。
研究人員表示：「磁場傳感器和霍爾傳感器是許多現實應用中的重要組成部分。」 「這項工作確實使超淨石墨烯成為製造霍爾探針的上乘材料。這在某些應用中並不實際，因為很難製造這些設備。但是材料生長和自動化的途徑不同。人們正在探索的三明治的組裝。一旦有了石墨烯三明治，就可以將其放置在任何地方，並將其與現有技術集成。」
參考：Magnetic field detection limits for ultraclean graphene Hall sensors, Nature Communications (2020). DOI: 10.1038/s41467-020-18007-5
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