Исследователи из Корнеллского университета создали миниатюрный датчик магнитного поля на основе ультратонкого графенового «сэндвича». Новое устройство может работать в более широком диапазоне температур, чем предыдущие датчики, а также обладает высокой чувствительностью. О своей разработке ученые рассказали в статье журнала Nature Communications.

Эффект Холла — хорошо известное явление в физике конденсированного состояния. Когда ток протекает через образец, он изменяется магнитным полем, из-за чего создается напряжение на обеих сторонах образца, пропорциональное напряженности магнитного поля. Использующие эффект Холла датчики используются в самых разных устройствах, от мобильных телефонов до робототехники и тормозов. Устройства, как правило, созданы из обычных полупроводников, таких как кремний и арсенид галлия.

Авторы новой работы решили создать такой датчик на основе графенового сэндвича. Обычные графеновые устройства часто не дотягивают до чисто полупроводниковых. Это связано с тем, что когда графеновый лист помещается на кремниевую подложку, он «сминается» на наноуровне, из-за чего его электрические свойства становятся на порядок слабее.

Ученые решили исправить этот недостаток, поместив графен между листами гексагонального нитрида бора. Гексагональный нитрид бора имеет ту же кристаллическую структуру, что и графен, но является изолятором, что позволяет графену лежать ровно. Графеновые слои в сэндвич-структуре действуют как электростатические затворы и могут регулировать количество свободных электронов в графене.

В результате ученые смогли создать микронный датчик Холла, который функционирует не хуже его полупроводниковых аналогов при комнатной температуре. А при температуре в 4,2 кельвина (-267°C) новое устройство превосходит все существующие датчики по своей эффективности и чувствительности.

Графеновые сенсоры настолько точны, что могут улавливать крошечные флуктуации магнитного поля при напряженности, которая в миллион раз больше, чем у фиксируемых флуктуаций. Обнаружить такие крошечные колебания сложно даже для высококачественных датчиков, потому что в сильном магнитном поле отклик напряжения становится нелинейным и более трудным для анализа.