圖顯示（左）梯狀單層石墨烯形成的概念。這類似于亞洲廣泛用于農(nóng)業(yè)的梯田。（右）鈦酸鍶（STO，左上）和裸 STO 基板（右下）上石墨烯梯狀形態(tài)的原子力顯微鏡圖像。學(xué)分：先進(jìn)材料

新加坡國立大學(xué)的物理學(xué)家開發(fā)了一種靈敏的二維 (2-D) 磁場(chǎng)傳感器，它可以潛在地改進(jìn)用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)用的納米級(jí)磁疇的檢測(cè)。

磁阻 (MR) 是由于外部磁場(chǎng)的影響而引起的材料電阻變化，已廣泛用于磁傳感器、磁存儲(chǔ)器和硬盤驅(qū)動(dòng)器。然而，在使用巨型 MR (GMR) 或隧道 MR (TMR) 自旋閥的傳統(tǒng)基于三維 (3-D) 材料的磁傳感器中，磁場(chǎng)的可檢測(cè)信號(hào)隨其傳感層的厚度呈指數(shù)衰減. 這限制了傳感器的空間分辨率和靈敏度。因此，基于二維的傳感器可以潛在地改進(jìn)微小磁場(chǎng)的檢測(cè)，因?yàn)樗�減限于一個(gè)原子層厚度。

石墨烯是一種原子厚的薄材料，具有高遷移率和高載流能力。新加坡國立大學(xué)物理系的 Ariando 教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組通過在人造梯形基板上添加石墨烯層，開發(fā)出一種二維磁傳感器，其電阻可以在室溫下將其原始值提高 50 倍溫度。這比之前在相同條件下的單層石墨烯器件上報(bào)道的高十倍。

納米級(jí)磁疇的檢測(cè)是一項(xiàng)基本挑戰(zhàn)。隨著磁疇變�。�納米級(jí)），傳感器的尺寸需要相應(yīng)減小以保持高空間分辨率和信噪比。然而，對(duì)于傳統(tǒng)的基于 3-D 材料的傳感器，尺寸的減小會(huì)導(dǎo)致熱磁噪聲和自旋扭矩不穩(wěn)定。該團(tuán)隊(duì)最近的發(fā)現(xiàn)為開發(fā)可在室溫下工作以檢測(cè)納米級(jí)磁疇的二維磁場(chǎng)傳感器鋪平了道路。這可以提高掃描探針磁力計(jì)、生物傳感和磁存儲(chǔ)應(yīng)用的性能。

胡軍雄先生，博士 研究小組的一名學(xué)生說：“二維磁傳感器的核心部分是通過將石墨烯堆疊在原子階梯狀基板上形成的階梯狀石墨烯。這個(gè)過程類似于在樓梯上放置地毯。”

由于其靈活性，石墨烯還將復(fù)制樓梯形態(tài)。在此過程中，將在梯狀石墨烯中誘發(fā)地形波紋和電荷水坑。在存在磁場(chǎng)的情況下，階梯狀石墨烯中的電流不會(huì)沿直線傳播，而是會(huì)被水坑邊界處的不連續(xù)性強(qiáng)烈扭曲，從而導(dǎo)致其電阻發(fā)生顯著變化。

Ariando 教授說：“這項(xiàng)技術(shù)有可能開發(fā)用于檢測(cè)納米級(jí)磁疇的下一代高靈敏度傳感器。用于傳感器的單層石墨烯薄膜可以通過批量生產(chǎn)來實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性。”

該研究團(tuán)隊(duì)已為該發(fā)明申請(qǐng)了專利。在這項(xiàng)概念驗(yàn)證研究之后，研究人員計(jì)劃進(jìn)一步優(yōu)化梯田幾何形狀并使其適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)。然后，這將擴(kuò)大他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從而制造出工業(yè)規(guī)模的晶圓用于商業(yè)用途。