与演员和歌剧歌手一样，在测量磁场时，测量范围会有所帮助。康奈尔大学的研究人员使用超薄石墨烯“三明治”创建了一个微型磁场传感器，它可以在比以前的传感器更大的温度范围内工作，同时还能检测磁场的微小变化，否则这些变化可能会在更大的磁场背景中丢失。

由物理学助理教授 Katja Nowack 领导的研究人员通过将石墨烯夹在六方氮化硼片之间创建了这种微米级霍尔效应传感器，从而使设备在比以前的霍尔传感器更大的温度范围内工作。

该小组的论文“超净石墨烯霍尔传感器的磁场检测极限”于 8 月 20 日在Nature Communications 上发表。

该团队由文理学院物理学助理教授、该论文的资深作者 Katja Nowack 领导。

Nowack 的实验室专门使用扫描探针进行磁成像。他们的首选探针之一是超导量子干涉装置或 SQUID，它在低温和小磁场中工作良好。

“我们希望通过使用另一种类型的传感器，即霍尔效应传感器，扩大我们可以探索的参数范围，”该论文的第一作者、博士生 Brian Schaefer 说。“它可以在任何温度下工作，我们已经证明它也可以在高磁场下工作。霍尔传感器以前曾在高磁场中使用过，但它们通常无法检测到顶部的微小磁场变化那个磁场。”

霍尔效应是凝聚态物理中众所周知的现象。当电流流过样品时，它会被磁场弯曲，在样品的两侧产生与磁场成正比的电压。

霍尔效应传感器用于各种技术，从手机到机器人再到防抱死制动器。这些设备通常由硅和砷化镓等传统半导体制成。

Nowack 的团队决定尝试一种更新颖的方法。

在过去的十年里，石墨烯片的使用激增——单层碳原子，排列在蜂窝晶格中。但是当石墨烯片直接放置在硅基板上时，石墨烯器件通常不及由其他半导体制成的器件。石墨烯片在纳米尺度上“皱缩”，抑制了其电性能。

Nowack 的团队采用了最近开发的技术来释放石墨烯的全部潜力——将其夹在六方氮化硼片之间。六方氮化硼具有与石墨烯相同的晶体结构，但它是一种电绝缘体，这使得石墨烯片可以平放。夹心结构中的石墨层充当静电门，以调节石墨烯中可导电的电子数量。

三明治技术由共同作者 Lei Wang 开创，他是康奈尔大学 Kavli 纳米科学研究所的前博士后研究员。Wang 还曾在共同资深作者 Paul McEuen 的实验室工作，他是 John A. Newman 物理科学教授，也是纳米科学与微系统工程 (NEXT Nano) 工作组的联合主席，该工作组是教务长激进协作计划的一部分。

“六方氮化硼和石墨的封装使电子系统超洁净，”诺瓦克说。“这使我们能够在比以前更低的电子密度下工作，这有利于增强我们感兴趣的霍尔效应信号。”

研究人员能够创造出一种微米级霍尔传感器，其功能与在室温下报告的最佳霍尔传感器一样好，同时在低至 4.2 开尔文(或负 452.11 华氏度)的温度下性能优于任何其他霍尔传感器。

石墨烯传感器非常精确，它们可以在比背景场大六个数量级(或其大小的一百万倍)的背景场中识别出磁场中的微小波动。即使是高质量的传感器，检测这种细微差别也是一项挑战，因为在强磁场中，电压响应变得非线性，因此更难以解析。

Nowack 计划将石墨烯霍尔传感器集成到扫描探针显微镜中，用于对量子材料进行成像并探索物理现象，例如磁场如何破坏非常规超导性以及电流在特殊类别材料(例如拓扑金属)中的流动方式。

“磁场传感器和霍尔传感器是许多实际应用的重要组成部分，”Nowack 说。“这项工作使超净石墨烯真正成为构建霍尔探针的优质材料。对于某些应用来说，它并不实用，因为制造这些设备很困难。但材料生长和自动化有不同的途径组装人们正在探索的三明治。一旦你有了石墨烯三明治，你就可以把它放在任何地方，并与现有技术集成。”