Grafeenweek 2015 staat bol van uitstekende onderzoeksresultaten, maar één presentatie zorgde voor veel opschudding op deze Graphene Flagship-conferentie. Voor een verbijsterd publiek, Robert Roelver van het in Stuttgart gevestigde ingenieursbureau Bosch meldde donderdag dat bedrijfsonderzoekers, samen met wetenschappers van het Max-Planck Institute for Solid State Research, hebben een op grafeen gebaseerde magnetische sensor gemaakt die 100 keer gevoeliger is dan een equivalent apparaat op basis van silicium.

Bosch is al lang betrokken bij sensortechnologie, met name in de automobielsector. In 2008, het bedrijf breidde uit boven zijn druk, versnellings- en gyroscopische bewegingssensoren, naar geomagnetisch, temperatuur, vochtigheid, apparaten voor luchtkwaliteit en geluidsdruk, ook voor gebruik in consumentenelektronica zoals mobiele telefoons. Roelver merkte op dat Bosch 's werelds nummer één leverancier is van micro-elektromechanische sensoren, met een omzet van € 1 miljard.

Geïnteresseerd in de vraag of grafeen nieuwe toepassingen en verbeterde sensorprestaties kan mogelijk maken, Bosch heeft het gebruik van het tweedimensionale materiaal in zijn druk, magnetisch, vochtigheid, gas- en geluidsdrukapparatuur. De eerste stap was om te kijken naar fabricagemethoden.

Top-down benaderingen voor de fabricage van grafeenapparaten, zoals mechanische en chemische exfoliatie, zouden niet werken op commerciële schaal, daarom richtte Bosch zich in plaats daarvan op bottom-uptechnieken zoals de thermische ontleding van siliciumcarbide, en chemische dampafzetting op metalen oppervlakken. Dit laatste is zeker geschikt voor massaproductie, en de eerste mogelijk zo.

Roelver waarschuwde dat op grafeen gebaseerde sensortoepassingen 5-10 jaar nodig hebben voordat ze kunnen concurreren met gevestigde technologieën. Dit is te wijten aan het huidige gebrek aan grootschalige, op wafers gebaseerde en transfervrije synthesetechnieken.

De onderzoekers van Bosch en Max-Planck hebben verschillende substraten overwogen, die in het geval van hun magnetische sensor afrekenden met hexagonaal boornitride. Dit is om redenen van zowel kosten als technische prestaties.

De magnetische sensoren van Bosch zijn gebaseerd op het Hall-effect, waarin een magnetisch veld een Lorentz-kracht induceert op bewegende elektrische ladingsdragers, leidend tot doorbuiging en een meetbare Hall-spanning. Sensorprestaties worden bepaald door twee parameters:(1) gevoeligheid, die afhangt van het aantal ladingdragers, en (2) stroomverbruik, die omgekeerd evenredig varieert met de mobiliteit van ladingdragers. Het is de hoge mobiliteit van dragers die grafeen nuttig maakt in dergelijke toepassingen, en de resultaten van het door Bosch geleide team bevestigen dit.

Materialen vergelijken en contrasteren, Roelver toonde in zijn Graphene Week-presentatie aan dat de worstcasescenario's voor grafeen ongeveer overeenkomen met een siliciumreferentie. In het beste geval, het resultaat is een enorme verbetering ten opzichte van silicium, met veel lagere bronstroom en vermogensvereisten voor een bepaalde Hall-gevoeligheid. Kortom, grafeen zorgt voor een krachtige magnetische sensor met een laag stroomverbruik en lage voetafdruk.

Wat harde cijfers betreft, het opmerkelijke resultaat van Roelver was gebaseerd op een directe vergelijking tussen de gevoeligheid van een op silicium gebaseerde Hall-sensor met die van het Bosch-MPI-grafeenapparaat. De silicium sensor heeft een gevoeligheid van 70 volt per amp-tesla, terwijl met het boornitride- en grafeenapparaat het cijfer 7 is, 000. Dat is een verbluffende verbetering van twee ordes van grootte, vandaar de reactie in de conferentiezaal van de Grafeenweek.

Na een samenvatting van dit verbluffende onderzoeksresultaat, Roelver concludeerde op een hoge noot, benadrukkend dat Bosch grafeen zeer serieus neemt als toekomstige commerciële technologie.

"We zijn verheugd te zien dat Graphene Week is gekozen als het forum om zo'n belangrijke technologische mijlpaal bekend te maken, " zegt Andrea Ferrari, voorzitter van de Raad van Bestuur van het Graphene Flagship. "De oproep van Bosch voor grootschalige integratie van grafeen in industriële processen komt volledig overeen met en valideert de geplande investeringen van het vlaggenschip in dit kritieke gebied voor de massaproductie van apparaten."