나노기술 및 정책 정보

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코넬 대학교(Cornell University)의 연구팀은 초박형 그래핀 "샌드위치" 구조를 사용하여 매우 작은 자기장 센서를 개발하였으며, 이는 기존의 센서보다 더 큰 온도 범위에서 작동할 수 있고, 큰 자기 환경에서 놓칠 수 있는 자기장의 미세한 변화를 감지할 수도 있음. 연구팀은 육방정계 구조의 질화붕소 시트 사이에 그래핀을 끼워 이 미크론 크기의 홀-효과(Hall-effect) 센서를 만들어 이전 홀 센서보다 더 큰 온도 범위에서 작동하는 장치를 만들었음. 연구팀은 자기 이미징을 수행하기 위해 스캐닝 프로브 사용을 전문으로 함. 가장 많이 사용되는 프로브 중 하나는 초전도 양자 간섭 장치(SQUID)로, 저온 및 작은 자기장에서 잘 동작함. 연구팀은 홀 효과 측정에 있어서 다른 유형의 센서를 개발하여 탐색할 수 있는 매개 변수의 범위를 확장하고 싶었음. 이번에 개발된 센서는 어떤 온도에서도 작동할 수 있으며, 높은 자기장에서도 작동할 수 있음을 확인하였음. 일반적으로 홀 센서를 높은 자기장에서 사용할 수 있지만 해당 자기장에서는 작은 자기장 변화를 감지 할 수 없었음. 홀 효과는 응축 물질 물리학에서 잘 알려진 현상으로, 전류가 샘플을 통해 흐르면 자기장에 의해 구부러져 서 샘플의 양쪽에 자기장에 비례하는 전압을 생성하는 현상임. 홀 효과 센서는 휴대폰에서부터 로봇 공학, 미끄럼방지 제동장치(Anti-lock Brakes System) 등에 이르기까지 다양한 기술에 적용됨. 이 장치는 일반적으로 실리콘 및 갈륨비소와 같은 기존 반도체로 제작되어 왔음.

지난 10 년 동안 벌집 격자로 배열된 단일 탄소 원자층인 그래핀 시트의 사용이 붐을 일으켰음. 그러나 그래핀 장치는 그래핀 시트를 실리콘 기판 위에 직접 올려놓을 때 다른 반도체로 만든 장치보다 부족한 경우가 많았음. 이는 그래핀 시트는 나노 스케일에서 "구겨져" 본래의 뛰어난 전기적 특성을 발현할 수 없었기 때문임. 연구팀은 그래핀의 잠재력을 최대한 발휘하기 위해 최근 개발 된 기술을 채택하여 육방정계 구조의 질화붕소 시트 사이에 끼워 넣었음. 육방정계 질화붕소는 그래핀과 동일한 결정 구조를 갖지만 그래핀 시트를 평평하게 놓을 수 있는 전기 절연체임.

본 연구 성과는 ‘Nature Communications’ (“Magnetic field detection limits for ultraclean graphene Hall sensors”) 지에 게재됨