近日，由日本北陸先端科學技術大學院大學（Japan Advanced Institute of Science and Technology，JAIST）和Otowa Electric有限公司的研究人員組成的科學研究團隊在ACS Omega期刊上發表了石墨烯器件電場傳感機制再探討的最新論文。

圖1 石墨烯傳感器中的電場傳感機制示意圖：（a）正電場和（b）負電場。在正電場的情況下，電子從SiO2層被吸引到石墨烯通道。相反，在負電場作用下，電子從石墨烯通道轉移到SiO2層的陷阱中。（圖片來源：JAIST）

電場強度和極性的傳感能力具有重要的科學意義。電場傳感的應用包括預測雷電和探測超音速飛行器。目前，電場強度計是被廣泛使用的電場傳感器。雖然它們可以檢測到任意極性和低至1V/m的電場，但是其大尺寸（>1m）阻礙了它們在現實生活中的廣泛應用。

此外，電場強度計內的電機（實現電場檢測）容易發生故障。通過引入基于微電子機械系統（MEMS）的傳感器，研究人員已經做出了一些努力來實現電場傳感器的小型化。雖然它們很小，而且不涉及任何移動部件，但復雜的制造過程使這些傳感器的性價比較低。

日本JAIST和領先的雷電防護設備制造商Otowa Electric有限公司的研究人員開始尋找一種更好的替代品。他們的研究方案是采用石墨烯——一種單原子厚度的二維材料。

圖2（a）石墨烯器件結構示意圖。（b）石墨烯電場測量裝置的示意圖，該裝置由兩個平行的被施加靜態電壓的金屬圓盤組成。石墨烯傳感器被放置在它們之間。石墨烯電場傳感器對（c）正電場和（d）負電場的響應。在這兩種情況下，在平行圓盤上施加16.67 kV/m的電場。

高級講師Manoharan Muruganathan說：“眾所周知，石墨烯中的載流子密度對外部擾動非常敏感。載流子密度的這種變化反映在漏極電流中。雖然已經有一些將石墨烯作為電場傳感器的嘗試和提議，但以前的研究工作都沒有建立起石墨烯電場傳感的基本機制。我們意識到，為了對傳感器進行改進，首先建立機制是至關重要的，這成為我們的首要目標。”

通過一系列實驗，研究團隊最終確定了石墨烯的電場傳感機制。他們發現，在電場作用下，石墨烯和SiO2/石墨烯界面陷阱之間的電荷轉移是傳感機制中的一個關鍵現象。這種電荷轉移和由此產生的載流子密度變化反映為漏極電流的變化。電荷轉移的方向取決于電場的極性。電子在正電場下從陷阱轉移到石墨烯，而在負電場下從石墨烯轉移到陷阱。

因此，在電場作用下漏極電流的變化對于正電場和負電場是相反的，這使得檢測電場的極性變得更加容易。此外，石墨烯和陷阱之間轉移的載流子數量取決于電場的強度。電場越高，石墨烯和陷阱之間移動的電子就越多。電荷轉移量的差異也反映在漏極電流中。因此，電場作用下的漏極電流的變化可以等同于電場的強度。

綜上，研究團隊已經成功地將石墨烯作為一種可以檢測正負電場的電場傳感器。這種石墨烯傳感器可以檢測到的最低電場是333 V/m。

論文信息：

Afsal Kareekunnan et al, Revisiting the Mechanism of Electric Field Sensing in Graphene Devices, ACS Omega (2021).

DOI: 10.1021/acsomega.1c05530