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。學分：先進材料

新加坡國立大學的物理學家開發(fā)了一種靈敏的二維 (2-D) 磁場傳感器，它可以潛在地改進用于數(shù)據(jù)存儲應用的納米級磁疇的檢測。

磁阻 (MR) 是由于外部磁場的影響而引起的材料電阻變化，已廣泛用于磁傳感器、磁存儲器和硬盤驅(qū)動器。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，磁場的可檢測信號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微小磁場的檢測，因為衰減限于一個原子層厚度。

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。新加坡國立大學物理系的 Ariando 教授領(lǐng)導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道的高十倍。

納米級磁疇的檢測是一項基本挑戰(zhàn)。隨著磁疇變小（納米級），傳感器的尺寸需要相應減小以保持高空間分辨率和信噪比。然而，對于傳統(tǒng)的基于 3-D 材料的傳感器，尺寸的減小會導致熱磁噪聲和自旋扭矩不穩(wěn)定。該團隊最近的發(fā)現(xiàn)為開發(fā)可在室溫下工作以檢測納米級磁疇的二維磁場傳感器鋪平了道路。這可以提高掃描探針磁力計、生物傳感和磁存儲應用的性能。

胡軍雄先生，博士 研究小組的一名學生說：“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。在存在磁場的情況下，階梯狀石墨烯中的電流不會沿直線傳播，而是會被水坑邊界處的不連續(xù)性強烈扭曲，從而導致其電阻發(fā)生顯著變化。

Ariando 教授說：“這項技術(shù)有可能開發(fā)用于檢測納米級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)來實現(xiàn)可擴展性。”

該研究團隊已為該發(fā)明申請了專利。在這項概念驗證研究之后，研究人員計劃進一步優(yōu)化梯田幾何形狀并使其適應大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)。然后，這將擴大他們的實驗結(jié)果，從而制造出工業(yè)規(guī)模的晶圓用于商業(yè)用途。