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日本揭示微尺度石墨烯传感器的电场检测机制

2021-12-29

据麦姆斯咨询报道,近日,由日本北陆先端科学技术大学院大学(Japan Advanced Institute of Science and Technology,JAIST)和Otowa Electric有限公司的研究人员组成的科学研究团队在ACS Omega期刊上发表了石墨烯器件电场传感机制再探讨的最新论文。


图1 石墨烯传感器中的电场传感机制示意图:(a)正电场和(b)负电场。在正电场的情况下,电子从SiO2层被吸引到石墨烯通道。相反,在负电场作用下,电子从石墨烯通道转移到SiO2层的陷阱中。(图片来源:JAIST)

电场强度和极性的传感能力具有重要的科学意义。电场传感的应用包括预测雷电和探测超音速飞行器。目前,电场强度计是被广泛使用的电场传感器。虽然它们可以检测到任意极性和低至1V/m的电场,但是其大尺寸(>1m)阻碍了它们在现实生活中的广泛应用。

此外,电场强度计内的电机(实现电场检测)容易发生故障。通过引入基于微电子机械系统(MEMS)的传感器,研究人员已经做出了一些努力来实现电场传感器的小型化。虽然它们很小,而且不涉及任何移动部件,但复杂的制造过程使这些传感器的性价比较低。

日本JAIST和领先的雷电防护设备制造商Otowa Electric有限公司的研究人员开始寻找一种更好的替代品。他们的研究方案是采用石墨烯——一种单原子厚度的二维材料。


图2(a)石墨烯器件结构示意图。(b)石墨烯电场测量装置的示意图,该装置由两个平行的被施加静态电压的金属圆盘组成。石墨烯传感器被放置在它们之间。石墨烯电场传感器对(c)正电场和(d)负电场的响应。在这两种情况下,在平行圆盘上施加16.67 kV/m的电场。

高级讲师Manoharan Muruganathan说:“众所周知,石墨烯中的载流子密度对外部扰动非常敏感。载流子密度的这种变化反映在漏极电流中。虽然已经有一些将石墨烯作为电场传感器的尝试和提议,但以前的研究工作都没有建立起石墨烯电场传感的基本机制。我们意识到,为了对传感器进行改进,首先建立机制是至关重要的,这成为我们的首要目标。”

通过一系列实验,研究团队最终确定了石墨烯的电场传感机制。他们发现,在电场作用下,石墨烯和SiO2/石墨烯界面陷阱之间的电荷转移是传感机制中的一个关键现象。这种电荷转移和由此产生的载流子密度变化反映为漏极电流的变化。电荷转移的方向取决于电场的极性。电子在正电场下从陷阱转移到石墨烯,而在负电场下从石墨烯转移到陷阱。

因此,在电场作用下漏极电流的变化对于正电场和负电场是相反的,这使得检测电场的极性变得更加容易。此外,石墨烯和陷阱之间转移的载流子数量取决于电场的强度。电场越高,石墨烯和陷阱之间移动的电子就越多。电荷转移量的差异也反映在漏极电流中。因此,电场作用下的漏极电流的变化可以等同于电场的强度。

综上,研究团队已经成功地将石墨烯作为一种可以检测正负电场的电场传感器。这种石墨烯传感器可以检测到的最低电场是333 V/m。

论文信息:
Afsal Kareekunnan et al, Revisiting the Mechanism of Electric Field Sensing in Graphene Devices, ACS Omega (2021).
DOI: 10.1021/acsomega.1c05530

来源:MEMS