Созданы графеновые магнитные датчики, чувствительность которых в сотни раз превышает чувствительность кремниевых датчиков - «Наука и технологии»

В свое время мы рассказывали об инициативе Европейского Союза под названием "The Graphene Flagship", в рамках которой Европейская Комиссия осуществляет инвестиции в размере 1 миллиарда долларов в исследования, связанные с графеном и областями его применения. И недавно в Манчестере, Великобритания, который стал чем-то вроде европейской "графеновой Кремниевой Долины", прошла конференция Graphene Week 2015, на которой исследователи из различных организаций и учреждений продемонстрировали то, чего им удалось добиться за последние два года.

На страницах информационных изданий достаточно часто упоминаются события, связанные с использование графена в биодатчиках, химических датчиках, датчиках давления и датчиках, позволяющих измерить массу других физических величин. Однако, во всей этой массе графеновых датчиков практически отсутствуют данные о магнитных датчиках, хотя не так давно группа исследователей из Испании добилась успеха в придании графену свойств магнитного материала.

И вот на конференции Graphene Week 2015 представители компании Bosch, которые работали совместно с исследователями из института Макса Планка (Max-Planck Institute for Solid State Research), объявили о создании первого датчика магнитного поля на основе графена, чувствительность которого в 100 раз превышает чувствительность существующих подобных кремниевых датчиков.

Работая с магнитными свойствами графена, специалисты лаборатории компании Bosch не преследовали целей увеличения плотности хранения данных современных запоминающих устройств, таких, как жесткие диски. Они преследовали свои, более практичные цели, связанные преимущественно с автомобильной промышленностью.

Работая с образцами двухмерных материалов, специалисты Bosch выяснили в первую очередь, что графен, полученный путем осаждения из паровой фазы (chemical vapor deposition, CVD) или полученный более простым путем отслаивания, так называемого "метода изоленты", не очень подходит для практического применения. Такие методы получения графена не удовлетворяют условиям массового производства этого материала и не вписываются в планы компании Bosch, которая собирается наладить выпуск графеновых устройств уже через несколько лет.

Поэтому специалисты компании Bosch, совместно с учеными из института Макса Планка, разработали новый способ получения графена. Основой этого метода стал слой еще одного двухмерного материала, нитрида бора, имеющего столь большую ширину запрещенной зоны, что его можно условно считать электрическим изолятором. Слой графена, нанесенный поверх слоя нитрида бора, по сути, является готовым датчиком магнитного поля, работающим на основе эффекта Холла. Этот эффект проявляется за счет сил Лоренца, возникающих в магнитном поле и отклоняющих носители электрического заряда от направления движении электрического тока, что приводит к возникновению отклонений электрического потенциала на датчике, достаточных для проведения прямых измерений.

Одна из самых привлекательных электрических характеристик графена - высокая подвижность носителей электрического заряда, сыграла самую важную роль в усилении проявления эффекта Холла, что позволило получить чрезвычайно высокую чувствительность магнитного датчика.

В худшем варианте, при использовании низкокачественного графена, графеновые магнитные датчики ни в чем не уступают полупроводниковым датчикам Холла на основе кремния. Но в лучшем случае ток истока графенового датчика может быть намного ниже тока, необходимого для надежной работы кремниевого датчика. Это и определяет то, что динамический диапазон и чувствительность графеновых датчиков минимум на два порядка будут превосходить аналогичные параметры кремниевых датчиков, которые используются в наше время достаточно широко, начиная от смартфонов, портативных компьютеров и заканчивая автомобильной электроникой.