I ricercatori della National University of Singapore (NUS) hanno sviluppato un nuovo sensore magnetico ibrido che è più sensibile della maggior parte dei sensori disponibili in commercio. Questa svolta tecnologica offre opportunità per lo sviluppo di sensori più piccoli ed economici per vari campi come l'elettronica di consumo, tecnologie dell'informazione e della comunicazione, biotecnologie e automotive.

L'invenzione, guidato dal Professore Associato Yang Hyunsoo del Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica presso la Facoltà di Ingegneria della NUS, è stato pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura nel settembre 2015.

Sensori magnetici ad alte prestazioni richiesti

Quando un campo magnetico esterno viene applicato a determinati materiali, una variazione della resistenza elettrica, noto anche come magnetoresistenza, avviene quando gli elettroni vengono deviati. La scoperta della magnetoresistenza ha aperto la strada ai sensori di campo magnetico utilizzati nelle unità disco rigido e in altri dispositivi, rivoluzionando il modo in cui i dati vengono archiviati e letti.

Nella ricerca di un sensore di magnetoresistenza ideale, i ricercatori hanno apprezzato le proprietà dell'elevata sensibilità ai campi magnetici bassi e alti, accordabilità, e variazioni di resistenza molto piccole dovute alla temperatura.

Il nuovo sensore ibrido sviluppato dal team guidato da Assoc Prof Yang, che è anche con il NUS Nanoscience and Nanotechnology Institute (NUSNNI) e il Center for Advanced 2D Materials (CA2DM) presso la NUS Faculty of Science, può finalmente soddisfare questi requisiti. Altri membri del gruppo di ricerca interdisciplinare includono il dottor Kalon Gopinadhan di NUSNNI e CA2DM; Professor Thirumalai Venkatesan, Direttore della NUSNNI; il professor Andre K. Geim dell'Università di Manchester; e il Professor Antonio H. Castro Neto del Dipartimento di Fisica NUS e Direttore del CA2DM.

Più di 200 volte più sensibile dei sensori disponibili in commercio

Il nuovo sensore, fatto di grafene e nitruro di boro, comprende alcuni strati di canali in movimento portante, ognuno dei quali può essere controllato dal campo magnetico. I ricercatori hanno caratterizzato il nuovo sensore testandolo a varie temperature, angoli di campo magnetico, e con un diverso materiale di abbinamento.

Il dottor Kalon ha detto, "Abbiamo iniziato cercando di capire come risponde il grafene sotto il campo magnetico. Abbiamo scoperto che una struttura a doppio strato di grafene e nitruro di boro mostra una risposta estremamente ampia con i campi magnetici. Questa combinazione può essere utilizzata per applicazioni di rilevamento del campo magnetico".

Rispetto ad altri sensori esistenti, che sono comunemente fatti di silicio e antimoniuro di indio, il sensore ibrido del gruppo ha mostrato una sensibilità molto più elevata ai campi magnetici. In particolare, se misurato a 127 gradi Celsius (la temperatura massima a cui viene utilizzata la maggior parte dei prodotti elettronici), i ricercatori hanno osservato un aumento della sensibilità di oltre otto volte rispetto ai risultati di laboratorio precedentemente riportati e oltre 200 volte quello della maggior parte dei sensori disponibili in commercio.

Un'altra svolta in questa ricerca è stata la scoperta che la mobilità dei multistrati di grafene può essere parzialmente regolata sintonizzando la tensione attraverso il sensore, consentendo di ottimizzare le caratteristiche del sensore. Questo controllo conferisce al materiale un vantaggio rispetto ai sensori disponibili in commercio. Inoltre, il sensore ha mostrato pochissima dipendenza dalla temperatura rispetto alla temperatura ambiente fino a 127 gradi Celsius, rendendolo un sensore ideale adatto ad ambienti di temperatura più elevata.

Soddisfare la domanda del settore

L'industria dei sensori a magnetoresistenza, stimato in 1,8 miliardi di dollari nel 2014, dovrebbe crescere fino a raggiungere i 2,9 miliardi di dollari entro il 2020. I sensori di magnetoresistenza a base di grafene mantengono enormi promesse rispetto ai sensori esistenti grazie alle loro prestazioni stabili rispetto alle variazioni di temperatura, eliminando la necessità di costosi wafer o circuiti di correzione della temperatura. Anche il costo di produzione del grafene è molto più basso dell'antimonide di silicio e indio.

Le potenziali applicazioni per il nuovo sensore includono l'industria automobilistica, dove i sensori nelle auto, situato in dispositivi come misuratori di portata, sensori di posizione e interblocchi, sono attualmente costituiti da silicio o antimonide di indio. Ad esempio, quando c'è uno sbalzo di temperatura dovuto al condizionatore dell'auto o al calore del sole, cambiano anche le proprietà dei sensori convenzionali dell'auto. Per contrastare questo, è necessario un meccanismo di correzione della temperatura, incorrere in costi di produzione aggiuntivi. Però, con il nuovo sensore ibrido del team, la necessità di costosi wafer per fabbricare i sensori, ed è possibile eliminare ulteriori circuiti di correzione della temperatura.

"Il nostro sensore è perfettamente pronto per rappresentare una seria sfida nel mercato della magnetoresistenza, colmando le lacune prestazionali dei sensori esistenti, e trovando applicazioni come interruttori termici, dischi rigidi e sensori di campo magnetico. La nostra tecnologia può essere applicata anche ad applicazioni flessibili, " ha aggiunto Assoc Prof Yang.

Il gruppo di ricerca ha depositato un brevetto per l'invenzione. A seguito di questo studio proof-of-concept, i ricercatori intendono ampliare i loro studi e produrre wafer di dimensioni industriali per uso industriale.