Capteur à effet Hall à l'échelle du micron

Des chercheurs dirigés par Katja Nowack, professeur adjoint de physique, ont créé ce capteur à effet Hall à l’échelle du micron en intercalant du graphène entre des feuilles de nitrure de bore hexagonal, ce qui donne un appareil qui fonctionne sur une plus grande plage de températures que les capteurs Hall précédents. Crédit: Gracieuseté des chercheurs

Comme pour les acteurs et les chanteurs d’opéra, lors de la mesure des champs magnétiques, il est utile d’avoir une portée.

Les chercheurs de Cornell ont utilisé un ultra-fin graphène «Sandwich» pour créer un minuscule capteur de champ magnétique qui peut fonctionner sur une plus grande plage de température que les capteurs précédents, tout en détectant également de minuscules changements dans les champs magnétiques qui pourraient autrement se perdre dans un fond magnétique plus grand.

L’article du groupe, «Limites de détection de champ magnétique pour les capteurs à effet Hall Ultraclean Graphene», a été publié récemment dans Communications de la nature.

L’équipe était dirigée par Katja Nowack, professeur adjoint de physique au Collège des arts et des sciences et auteur principal de l’article.

Le laboratoire de Nowack est spécialisé dans l’utilisation de sondes à balayage pour effectuer l’imagerie magnétique. L’une de leurs sondes préférées est le dispositif d’interférence quantique supraconducteur, ou SQUID, qui fonctionne bien à basse température et dans de petits champs magnétiques.

«Nous voulions élargir la gamme de paramètres que nous pouvons explorer en utilisant cet autre type de capteur, qui est le capteur à effet Hall», a déclaré le doctorant Brian Schaefer, auteur principal de l’article. “Il peut fonctionner à n’importe quelle température, et nous avons montré qu’il peut également fonctionner jusqu’à des champs magnétiques élevés. Les capteurs à effet Hall ont déjà été utilisés à des champs magnétiques élevés, mais ils ne sont généralement pas capables de détecter de petits changements de champ magnétique en plus de ce champ magnétique. “

L’effet Hall est un phénomène bien connu en physique de la matière condensée. Lorsqu’un courant traverse un échantillon, il est courbé par un champ magnétique, créant une tension sur les deux côtés de l’échantillon qui est proportionnelle au champ magnétique.

Les capteurs à effet Hall sont utilisés dans une variété de technologies, des téléphones portables à la robotique en passant par les freins antiblocage. Les dispositifs sont généralement construits à partir de semi-conducteurs conventionnels comme le silicium et l’arséniure de gallium.

Le groupe de Nowack a décidé d’essayer une approche plus originale.

La dernière décennie a vu un essor des utilisations des feuilles de graphène – des couches uniques d’atomes de carbone, disposées dans un réseau en nid d’abeille. Mais les dispositifs en graphène sont souvent en deçà de ceux fabriqués à partir d’autres semi-conducteurs lorsque la feuille de graphène est placée directement sur un substrat de silicium; la feuille de graphène «se froisse» à l’échelle nanométrique, inhibant ses propriétés électriques.

Le groupe de Nowack a adopté une technique récemment mise au point pour libérer tout le potentiel du graphène: le prendre en sandwich entre des feuilles de nitrure de bore hexagonal. Le nitrure de bore hexagonal a la même structure cristalline que le graphène mais est un isolant électrique, ce qui permet à la feuille de graphène de reposer à plat. Les couches de graphite dans la structure sandwich agissent comme des portes électrostatiques pour régler le nombre d’électrons qui peuvent conduire l’électricité dans le graphène.

La technique sandwich a été mise au point par le co-auteur Lei Wang, ancien chercheur postdoctoral à l’Institut Kavli de Cornell pour la science à l’échelle nanométrique. Wang a également travaillé dans le laboratoire du co-auteur principal Paul McEuen, professeur John A. Newman de sciences physiques et coprésident du groupe de travail sur la science à l’échelle nanométrique et l’ingénierie des microsystèmes (NEXT Nano), qui fait partie de l’initiative Radical Collaboration du prévôt.

«L’encapsulation avec du nitrure de bore hexagonal et du graphite rend le système électronique ultra-propre», a déclaré Nowack. «Cela nous permet de travailler à des densités d’électrons encore plus faibles qu’auparavant, et c’est favorable pour amplifier le signal à effet Hall qui nous intéresse.»

Les chercheurs ont pu créer un capteur Hall à l’échelle du micron qui fonctionne aussi bien que les meilleurs capteurs Hall rapportés à température ambiante tout en surpassant tout autre capteur Hall à des températures aussi basses que 4,2 kelvins (ou moins 452,11 degrés Fahrenheit).

Les capteurs de graphène sont si précis qu’ils peuvent détecter de minuscules fluctuations dans un champ magnétique sur un champ de fond qui est plus grand de six ordres de grandeur (ou un million de fois sa taille). La détection de telles nuances est un défi, même pour les capteurs de haute qualité, car dans un champ magnétique élevé, la réponse en tension devient non linéaire et donc plus difficile à analyser.

Nowack prévoit d’incorporer le capteur Hall en graphène dans un microscope à sonde à balayage pour imager des matériaux quantiques et explorer des phénomènes physiques, tels que la façon dont les champs magnétiques détruisent la supraconductivité non conventionnelle et la manière dont le courant circule dans des classes spéciales de matériaux, tels que les métaux topologiques.

«Les capteurs de champ magnétique et les capteurs à effet Hall sont des éléments importants de nombreuses applications du monde réel», a déclaré Nowack. «Ce travail met vraiment le graphène ultra-propre sur la carte pour être un matériau de qualité supérieure pour la construction de sondes Hall. Ce ne serait pas vraiment pratique pour certaines applications car il est difficile de fabriquer ces appareils. Mais il existe différentes voies pour la croissance des matériaux et l’assemblage automatisé du sandwich que les gens explorent. Une fois que vous avez le sandwich au graphène, vous pouvez le mettre n’importe où et l’intégrer à la technologie existante. »

Référence: «Magnetic field detection limits for ultraclean graphene Hall sensor» par Brian T. Schaefer, Lei Wang, Alexander Jarjour, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Paul L. McEuen and Katja C. Nowack, 20 août 2020, Communications de la nature.
DOI: 10.1038 / s41467-020-18007-5

Les co-auteurs comprennent l’étudiant au doctorat Alexander Jarjour et des chercheurs de l’Institut national des sciences des matériaux à Tsukuba, au Japon.

La recherche a été soutenue par la National Science Foundation et le Cornell Center for Materials Research, un NSF Materials Research Science and Engineering Center. Les chercheurs ont utilisé le Cornell NanoScale Science and Technology Facility et la Columbia Nano Initiative Clean Room.