Net als bij acteurs en operazangers, bij het meten van magnetische velden helpt het om bereik te hebben.

Cornell-onderzoekers gebruikten een ultradunne grafeen "sandwich" om een ​​kleine magnetische veldsensor te maken die over een groter temperatuurbereik kan werken dan eerdere sensoren, terwijl het ook minuscule veranderingen in magnetische velden detecteert die anders verloren zouden gaan binnen een grotere magnetische achtergrond.

Onderzoekers onder leiding van Katja Nowack, assistent-professor natuurkunde, creëerde deze Hall-effectsensor op micronschaal door grafeen tussen vellen hexagonaal boornitride te plaatsen, wat resulteert in een apparaat dat over een groter temperatuurbereik werkt dan eerdere Hall-sensoren.

Het blad van de groep, "Magnetic Field Detection Limits voor ultraschone grafeen Hall-sensoren, " gepubliceerd 20 aug. in Natuurcommunicatie .

Het team stond onder leiding van Katja Nowack, assistent-professor natuurkunde aan de Hogeschool voor de Kunsten en Wetenschappen en senior auteur van de paper.

Het laboratorium van Nowack is gespecialiseerd in het gebruik van scansondes om magnetische beeldvorming uit te voeren. Een van hun go-to-sondes is het supergeleidende kwantuminterferentieapparaat, of INKTVIS, die goed werkt bij lage temperaturen en in kleine magnetische velden.

"We wilden het scala aan parameters dat we kunnen verkennen uitbreiden door dit andere type sensor te gebruiken, dat is de Hall-effectsensor, " zei promovendus Brian Schaefer, hoofdauteur van de krant. "Het kan bij elke temperatuur werken, en we hebben aangetoond dat het ook tot hoge magnetische velden kan werken. Hall-sensoren zijn eerder gebruikt bij hoge magnetische velden, maar ze zijn meestal niet in staat om kleine veranderingen in het magnetische veld bovenop dat magnetische veld te detecteren."

Het Hall-effect is een bekend fenomeen in de fysica van de gecondenseerde materie. Als er een stroom door een monster loopt, het wordt gebogen door een magnetisch veld, het creëren van een spanning over beide zijden van het monster die evenredig is met het magnetische veld.

Hall-effect sensoren worden gebruikt in een verscheidenheid aan technologieën, van mobiele telefoons tot robotica tot antiblokkeerremmen. De apparaten zijn over het algemeen opgebouwd uit conventionele halfgeleiders zoals silicium en galliumarsenide.

De groep van Nowack besloot een nieuwere benadering te proberen.

Het afgelopen decennium is er een enorme groei geweest in het gebruik van grafeenplaten - enkele lagen koolstofatomen, gerangschikt in een honingraatrooster. Maar grafeenapparaten schieten vaak tekort ten opzichte van die gemaakt van andere halfgeleiders wanneer het grafeenvel direct op een siliciumsubstraat wordt geplaatst; het grafeenvel "kreukt" op nanoschaal, het remmen van zijn elektrische eigenschappen.

De groep van Nowack nam een ​​recent ontwikkelde techniek over om het volledige potentieel van grafeen te ontsluiten - door het tussen vellen hexagonaal boornitride te plaatsen. Zeshoekig boornitride heeft dezelfde kristalstructuur als grafeen, maar is een elektrische isolator, waardoor de grafeenplaat plat kan liggen. Grafietlagen in de sandwichstructuur fungeren als elektrostatische poorten om het aantal elektronen af ​​te stemmen dat elektriciteit in het grafeen kan geleiden.

De sandwichtechniek werd ontwikkeld door co-auteur Lei Wang, een voormalig postdoctoraal onderzoeker bij het Kavli Institute in Cornell voor Nanoscale Science. Wang werkte ook in het laboratorium van co-senior auteur Paul McEuen, de John A. Newman Professor of Physical Science en co-voorzitter van de Nanoscale Science and Microsystems Engineering (NEXT Nano) Task Force, onderdeel van het Radical Collaboration-initiatief van de provoost.

"De inkapseling met hexagonaal boornitride en grafiet maakt het elektronische systeem ultraschoon, Nowack zei. "Dat stelt ons in staat om met nog lagere elektronendichtheden te werken dan voorheen, en dat is gunstig voor het versterken van het Hall-effectsignaal waarin we geïnteresseerd zijn."

De onderzoekers waren in staat om een ​​Hall-sensor op micronschaal te maken die net zo goed functioneert als de beste Hall-sensoren gerapporteerd bij kamertemperatuur, terwijl hij beter presteert dan alle andere Hall-sensoren bij temperaturen zo laag als 4,2 kelvin (of minus 452,11 graden Fahrenheit).

De grafeensensoren zijn zo nauwkeurig dat ze kleine fluctuaties in een magnetisch veld kunnen onderscheiden tegen een achtergrondveld dat zes orden van grootte groter is (of een miljoen keer zo groot). Het detecteren van dergelijke nuances is een uitdaging voor zelfs hoogwaardige sensoren, omdat in een hoog magnetisch veld, de spanningsrespons wordt niet-lineair en daarom moeilijker te ontleden.

Nowack is van plan om de grafeen Hall-sensor op te nemen in een scanning probe-microscoop voor het afbeelden van kwantummaterialen en het onderzoeken van fysieke verschijnselen, zoals hoe magnetische velden onconventionele supergeleiding vernietigen en de manieren waarop stroom vloeit in speciale klassen materialen, zoals topologische metalen.

"Magneetveldsensoren en Hall-sensoren zijn belangrijke onderdelen van veel real-world toepassingen, " zei Nowack. "Dit werk zet ultraschoon grafeen echt op de kaart omdat het een superieur materiaal is om Hall-sondes van te bouwen. Het zou voor sommige toepassingen niet echt praktisch zijn omdat het moeilijk is om deze apparaten te maken. Maar er zijn verschillende wegen voor materiaalgroei en geautomatiseerde assemblage van de sandwich die mensen onderzoeken. Als je eenmaal de grafeen sandwich hebt, je kunt het overal neerzetten en integreren met bestaande technologie."