研究人员揭示了微型石墨烯传感器中的电场检测机制

图 1：示意图显示了石墨烯传感器中（a）正电场和（b）负电场的电场传感机制。在正电场的情况下，电子从 SiO2 层被吸引到石墨烯通道。相反，电子从石墨烯通道转移到负电场的 SiO2 层中的陷阱。图片来源：日本科学技术高等研究院

感知电场大小和极性的能力具有重要的科学意义。应用包括闪电的早期预测和超音速飞机的探测。目前，场磨机是广泛使用的电场传感器。虽然它们可以检测任何极性的电场和强度低至 1 V/m 的电场，但大尺寸 (>1m) 阻碍了它们在实际应用中的广泛使用。此外，能够检测电场的场磨机内部的电机容易发生故障。通过引入基于 MEMS 的传感器，已经做出了一些努力来使电场传感器小型化。虽然它们很小并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成本效益降低。

日本先进科学技术研究所 (JAIST) 和领先的防雷设备制造商音羽电气株式会社的研究人员开始寻找更好的替代方案。他们的研究导致了石墨烯，一种原子厚度的二维材料。“众所周知，在石墨烯中的载流子密度对外部扰动高度敏感。在载流子密度的这种改变反映在漏极电流。虽然有一些尝试，并建议使用石墨烯作为电场传感器，以前的工作都没有建立石墨烯中电场传感的潜在机制。我们意识到首先建立机制以对传感器进行任何改进至关重要，这成为我们的主要目标，”高级讲师 Manoharan Muruganathan 说。

通过一系列实验，团队最终确立了石墨烯中电场感应的机制。他们发现石墨烯与 SiO 2处的陷阱之间的电荷转移电场作用下的石墨烯界面是传感机制中的关键现象。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，而在负电场下它们从石墨烯转移到陷阱。因此，电场下漏极电流的变化对于正电场和负电场是相反的，从而更容易检测电场的极性。此外，在石墨烯和陷阱之间转移的电荷载流子的数量取决于电场的大小。电场越高，在石墨烯和陷阱之间移动的电子越大。转移电荷量的差异也反映在漏极电流中。因此，施加电场下的漏极电流变化可以等同于电场的大小。

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