圖 1：示意圖顯示了石墨烯傳感器中（a）正和（b）負(fù)電場的電場感應(yīng)機制。在正電場的情況下，電子從 SiO2 層被吸引到石墨烯通道。相反，電子從石墨烯通道轉(zhuǎn)移到負(fù)電場的 SiO2 層中的陷阱。圖片來源：日本科學(xué)技術(shù)高等研究院

感知電場強度和極性的能力具有重大的科學(xué)意義。應(yīng)用包括閃電的早期預(yù)測和超音速飛機的檢測。目前，場磨機是廣泛使用的電場傳感器。雖然它們可以檢測極性和場強低至 1 V/m 的電場，但大尺寸 (>1m) 阻礙了它們在現(xiàn)實生活中的廣泛應(yīng)用。此外，能夠檢測電場的場磨機內(nèi)部的電機容易發(fā)生故障。通過引入基于 MEMS 的傳感器，已經(jīng)做出一些努力來使電場傳感器小型化。雖然它們很小并且不涉及任何移動部件，但復(fù)雜的制造過程使這些傳感器的成本效益較低。

日本高等科學(xué)技術(shù)研究院 (JAIST) 和領(lǐng)先的防雷設(shè)備制造商音羽電機株式會社的研究人員開始尋找更好的替代方案。他們的研究導(dǎo)致了石墨烯，一種只有一個原子厚度的二維材料�！氨娝�周知，在石墨烯中的載流子密度對外部擾動高度敏感。在載流子密度的這種改變反映在漏極電流。雖然有一些嘗試，并建議使用石墨烯作為電場傳感器，之前的工作都沒有建立石墨烯中電場感應(yīng)的潛在機制。我們意識到首先建立機制對傳感器進(jìn)行任何改進(jìn)至關(guān)重要，這成為我們的主要目標(biāo)，”高級講師 Manoharan Muruganathan 說。

通過一系列的實驗，該團隊最終確立了石墨烯中電場傳感的機制。他們發(fā)現(xiàn)石墨烯和 SiO 2處的陷阱之間的電荷轉(zhuǎn)移施加電場下的 / 石墨烯界面是傳感機制中的關(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電流變化。電荷轉(zhuǎn)移的方向取決于電場的極性。電子在正電場下從陷阱轉(zhuǎn)移到石墨烯，而在負(fù)電場下從石墨烯轉(zhuǎn)移到陷阱。因此，正負(fù)電場在電場下漏極電流的變化是相反的，更容易檢測電場的極性。此外，石墨烯和陷阱之間轉(zhuǎn)移的電荷載流子數(shù)量取決于電場的大小。電場越高，在石墨烯和陷阱之間移動的電子越大。電荷轉(zhuǎn)移量的差異也反映在漏電流中。因此，在施加電場下的漏極電流變化可以等同于電場的大小。