圖 1：示意圖顯示了石墨烯傳感器中（a）正電場和（b）負電場的電場傳感機制。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)移到負電場的 SiO2 層中的陷阱。圖片來源：日本科學技術高等研究院

感知電場大小和極性的能力具有重要的科學意義。應用包括閃電的早期預測和超音速飛機的探測。目前，場磨機是廣泛使用的電場傳感器。雖然它們可以檢測任何極性的電場和強度低至 1 V/m 的電場，但大尺寸 (>1m) 阻礙了它們在實際應用中的廣泛使用。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)做出了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，但復雜的制造過程使這些傳感器的成本效益降低。

日本先進科學技術研究所 (JAIST) 和領先的防雷設備制造商音羽電氣株式會社的研究人員開始尋找更好的替代方案。他們的研究導致了石墨烯，一種原子厚度的二維材料。“眾所周知，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，以前的工作都沒有建立石墨烯中電場傳感的潛在機制。我們意識到首先建立機制以對傳感器進行任何改進至關重要，這成為我們的主要目標，”高級講師 Manoharan Muruganathan 說。

通過一系列實驗，團隊最終確立了石墨烯中電場感應的機制。他們發(fā)現(xiàn)石墨烯與 SiO 2處的陷阱之間的電荷轉(zhuǎn)移電場作用下的石墨烯界面是傳感機制中的關鍵現(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極電流變化。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，而在負電場下它們從石墨烯轉(zhuǎn)移到陷阱。因此，電場下漏極電流的變化對于正電場和負電場是相反的，從而更容易檢測電場的極性。此外，在石墨烯和陷阱之間轉(zhuǎn)移的電荷載流子的數(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。轉(zhuǎn)移電荷量的差異也反映在漏極電流中。因此，施加電場下的漏極電流變化可以等同于電場的大小。