近日，由日本北陸先端科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)（Japan Advanced Institute of Science and Technology，JAIST）和Otowa Electric有限公司的研究人員組成的科學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在ACS Omega期刊上發(fā)表了石墨烯器件電場(chǎng)傳感機(jī)制再探討的最新論文。
圖1 石墨烯傳感器中的電場(chǎng)傳感機(jī)制示意圖：（a）正電場(chǎng)和（b）負(fù)電場(chǎng)。在正電場(chǎng)的情況下，電子從SiO2層被吸引到石墨烯通道。相反，在負(fù)電場(chǎng)作用下，電子從石墨烯通道轉(zhuǎn)移到SiO2層的陷阱中。（圖片來(lái)源：JAIST）
電場(chǎng)強(qiáng)度和極性的傳感能力具有重要的科學(xué)意義。電場(chǎng)傳感的應(yīng)用包括預(yù)測(cè)雷電和探測(cè)超音速飛行器。目前，電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)是被廣泛使用的電場(chǎng)傳感器。雖然它們可以檢測(cè)到任意極性和低至1V/m的電場(chǎng)，但是其大尺寸（>1m）阻礙了它們?cè)诂F(xiàn)實(shí)生活中的廣泛應(yīng)用。
此外，電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)內(nèi)的電機(jī)（實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)檢測(cè)）容易發(fā)生故障。通過(guò)引入基于微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）的傳感器，研究人員已經(jīng)做出了一些努力來(lái)實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)傳感器的小型化。雖然它們很小，而且不涉及任何移動(dòng)部件，但復(fù)雜的制造過(guò)程使這些傳感器的性價(jià)比較低。
日本JAIST和領(lǐng)先的雷電防護(hù)設(shè)備制造商O(píng)towa Electric有限公司的研究人員開(kāi)始尋找一種更好的替代品。他們的研究方案是采用石墨烯——一種單原子厚度的二維材料。
圖2（a）石墨烯器件結(jié)構(gòu)示意圖。（b）石墨烯電場(chǎng)測(cè)量裝置的示意圖，該裝置由兩個(gè)平行的被施加靜態(tài)電壓的金屬圓盤(pán)組成。石墨烯傳感器被放置在它們之間。石墨烯電場(chǎng)傳感器對(duì)（c）正電場(chǎng)和（d）負(fù)電場(chǎng)的響應(yīng)。在這兩種情況下，在平行圓盤(pán)上施加16.67 kV/m的電場(chǎng)。
高級(jí)講師Manoharan Muruganathan說(shuō)：“眾所周知，石墨烯中的載流子密度對(duì)外部擾動(dòng)非常敏感。載流子密度的這種變化反映在漏極電流中。雖然已經(jīng)有一些將石墨烯作為電場(chǎng)傳感器的嘗試和提議，但以前的研究工作都沒(méi)有建立起石墨烯電場(chǎng)傳感的基本機(jī)制。我們意識(shí)到，為了對(duì)傳感器進(jìn)行改進(jìn)，首先建立機(jī)制是至關(guān)重要的，這成為我們的首要目標(biāo)。”
通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)最終確定了石墨烯的電場(chǎng)傳感機(jī)制。他們發(fā)現(xiàn)，在電場(chǎng)作用下，石墨烯和SiO2/石墨烯界面陷阱之間的電荷轉(zhuǎn)移是傳感機(jī)制中的一個(gè)關(guān)鍵現(xiàn)象。這種電荷轉(zhuǎn)移和由此產(chǎn)生的載流子密度變化反映為漏極電流的變化。電荷轉(zhuǎn)移的方向取決于電場(chǎng)的極性。電子在正電場(chǎng)下從陷阱轉(zhuǎn)移到石墨烯，而在負(fù)電場(chǎng)下從石墨烯轉(zhuǎn)移到陷阱。
因此，在電場(chǎng)作用下漏極電流的變化對(duì)于正電場(chǎng)和負(fù)電場(chǎng)是相反的，這使得檢測(cè)電場(chǎng)的極性變得更加容易。此外，石墨烯和陷阱之間轉(zhuǎn)移的載流子數(shù)量取決于電場(chǎng)的強(qiáng)度。電場(chǎng)越高，石墨烯和陷阱之間移動(dòng)的電子就越多。電荷轉(zhuǎn)移量的差異也反映在漏極電流中。因此，電場(chǎng)作用下的漏極電流的變化可以等同于電場(chǎng)的強(qiáng)度。
綜上，研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)成功地將石墨烯作為一種可以檢測(cè)正負(fù)電場(chǎng)的電場(chǎng)傳感器。這種石墨烯傳感器可以檢測(cè)到的最低電場(chǎng)是333 V/m。
論文信息：
Afsal Kareekunnan et al, Revisiting the Mechanism of Electric Field Sensing in Graphene Devices, ACS Omega (2021).
DOI: 10.1021/acsomega.1c05530
