I fisici della National University of Singapore hanno sviluppato un sensibile sensore di campo magnetico bidimensionale (2-D), che può potenzialmente migliorare il rilevamento di domini magnetici su scala nanometrica per applicazioni di archiviazione dati.

Magnetoresistenza (MR), la variazione della resistenza elettrica di un materiale a causa dell'influenza di un campo magnetico esterno, è stato ampiamente utilizzato nei sensori magnetici, memorie magnetiche e hard disk. Però, nei tradizionali sensori magnetici tridimensionali (3-D) basati su materiali che utilizzano spin-valvole giganti MR (GMR) o tunneling MR (TMR), il segnale rilevabile del campo magnetico decade esponenzialmente con lo spessore del suo strato sensibile. Ciò limita la risoluzione spaziale e la sensibilità dei sensori. Perciò, un sensore basato su 2-D può potenzialmente migliorare il rilevamento di minuscoli campi magnetici, poiché il decadimento è limitato a un solo spessore dello strato atomico.

Il grafene è un materiale sottile dello spessore di un atomo con elevata mobilità e capacità di trasporto di corrente elevata. Aggiungendo uno strato di grafene sopra un substrato terrazzato artificiale, il gruppo di ricerca guidato dal Prof Ariando del Dipartimento di Fisica, NUS ha sviluppato un sensore magnetico 2-D con una resistenza elettrica che può aumentare il suo valore originale di 50 volte a temperatura ambiente. Questo è dieci volte superiore a quello riportato sui precedenti dispositivi al grafene a strato singolo alle stesse condizioni.

Il rilevamento di domini magnetici su scala nanometrica è una sfida fondamentale. Quando i domini magnetici diventano più piccoli (nanoscala), le dimensioni del sensore devono essere ridotte di conseguenza per mantenere l'elevata risoluzione spaziale e il rapporto segnale-rumore. Però, per i tradizionali sensori 3D basati sui materiali, la riduzione delle dimensioni porterà al rumore magnetotermico e all'instabilità della coppia di spin. La recente scoperta del team apre la strada allo sviluppo di sensori di campo magnetico 2-D che possono funzionare a temperatura ambiente per il rilevamento di domini magnetici su scala nanometrica. Ciò può migliorare le prestazioni della magnetometria della sonda di scansione, biorilevamento, e applicazioni di archiviazione magnetica.

Signor Junxiong Hu, un dottorato di ricerca studente del gruppo di ricerca, disse, "La parte centrale del sensore magnetico 2-D è il grafene terrazzato formato impilando il grafene su un substrato atomicamente terrazzato. Il processo è simile al posizionamento di un tappeto su una scala".

Grazie alla sua flessibilità, il grafene replicherà anche la morfologia della scala. Durante questo processo, Nel grafene terrazzato verranno indotte ondulazioni topografiche e pozzanghere di carica. In presenza di un campo magnetico, la corrente nel grafene terrazzato non percorrerà una linea retta ma è fortemente distorta dalle discontinuità al confine delle pozzanghere, provocando un cambiamento significativo della sua resistenza.

Il prof Ariando ha detto "Questa tecnologia ha il potenziale per sviluppare la prossima generazione di sensori altamente sensibili per il rilevamento dei domini magnetici su scala nanometrica. I film di grafene a strato singolo utilizzati per il sensore possono essere prodotti mediante produzione in lotti per la scalabilità".

Il gruppo di ricerca ha depositato un brevetto per l'invenzione. A seguito di questo studio proof-of-concept, i ricercatori hanno in programma di ottimizzare ulteriormente la geometria a terrazze e adattarla alle tecniche di produzione su larga scala. Ciò aumenterà quindi i loro risultati sperimentali portando alla produzione di wafer di dimensioni industriali per uso commerciale.