Natuurkundigen van de National University of Singapore hebben een gevoelige tweedimensionale (2-D) magnetische veldsensor ontwikkeld, die mogelijk de detectie van magnetische domeinen op nanoschaal voor gegevensopslagtoepassingen kan verbeteren.

Magnetoweerstand (MR), de verandering in de elektrische weerstand van een materiaal als gevolg van de invloed van een extern magnetisch veld, is veel gebruikt in magnetische sensoren, magnetische geheugens en harde schijven. Echter, in traditionele driedimensionale (3-D) op materiaal gebaseerde magnetische sensoren die gigantische MR (GMR) of tunneling MR (TMR) spin-kleppen gebruiken, het detecteerbare signaal van het magnetische veld neemt exponentieel af met de dikte van de detectielaag. Dit beperkt de ruimtelijke resolutie en gevoeligheid van de sensoren. Daarom, een 2D-gebaseerde sensor kan mogelijk de detectie van minuscule magnetische velden verbeteren, aangezien het verval beperkt is tot slechts één atomaire laagdikte.

Grafeen is een atoomdik dun materiaal met een hoge mobiliteit en een hoog stroomvoerend vermogen. Door een grafeenlaag toe te voegen bovenop een kunstmatig terrasvormig substraat, het onderzoeksteam onder leiding van prof. Ariando van het departement Natuurkunde, NUS heeft een 2-D magnetische sensor ontwikkeld met een elektrische weerstand die bij kamertemperatuur zijn oorspronkelijke waarde 50 keer kan verhogen. Dit is tien keer hoger dan wat werd gerapporteerd op eerdere enkellaags grafeenapparaten onder dezelfde omstandigheden.

De detectie van magnetische domeinen op nanoschaal is een fundamentele uitdaging. Naarmate magnetische domeinen kleiner worden (nanoschaal), de afmetingen van de sensor moeten dienovereenkomstig worden verkleind om de hoge ruimtelijke resolutie en signaal-ruisverhouding te behouden. Echter, voor traditionele 3D-sensoren op materiaalbasis, de verkleining zal leiden tot thermische magnetische ruis en instabiliteit van het spinkoppel. De recente ontdekking door het team maakt de weg vrij voor de ontwikkeling van 2D-magneetveldsensoren die bij kamertemperatuur kunnen werken voor de detectie van magnetische domeinen op nanoschaal. Dit kan de prestaties van de magnetometrie van de scanningsonde verbeteren, biodetectie, en magnetische opslagtoepassingen.

Mijnheer Junxiong Hu, een doctoraat student in het onderzoeksteam, zei, "Het kerndeel van de 2-D magnetische sensor is het terrasvormige grafeen dat wordt gevormd door grafeen op een atomair terrasvormig substraat te stapelen. Het proces is vergelijkbaar met het plaatsen van een tapijt op een trap."

Door zijn flexibiliteit, het grafeen zal ook de trapmorfologie repliceren. Tijdens dit proces, topografische golvingen en ladingsplassen zullen worden geïnduceerd in het terrasvormige grafeen. In aanwezigheid van een magnetisch veld, de stroom in het terrasvormige grafeen zal niet in een rechte lijn reizen, maar wordt sterk vervormd door de discontinuïteiten aan de rand van de plassen, waardoor de weerstand aanzienlijk verandert.

Prof Ariando zei:"Deze technologie heeft het potentieel om de volgende generatie zeer gevoelige sensoren te ontwikkelen voor de detectie van de magnetische domeinen op nanoschaal. De enkellaagse grafeenfilms die voor de sensor worden gebruikt, kunnen door batchproductie worden vervaardigd voor schaalbaarheid."

Het onderzoeksteam heeft een patent aangevraagd op de uitvinding. Na deze proof-of-concept-studie, de onderzoekers zijn van plan om de terrasvormige geometrie verder te optimaliseren en aan te passen voor grootschalige productietechnieken. Dit zal vervolgens hun experimentele resultaten opschalen, wat leidt tot de vervaardiging van wafels van industriële grootte voor commercieel gebruik.