说说石墨烯那些高端应用（一）——霍尔效应传感器

我们都知道，石墨烯因其独特的结构和性质，是一种应用前景极其广泛的二维材料，基于其优异的物理化学性质和性能，目前市场化的应用领域涉及电池、热管理、纺织、涂料、复合材料等。

但要找到石墨烯杀手锏级的应用，就要利用其杀手锏级的性能。如，2018年3月5日，英国学术刊物《自然》杂志连刊两文报道了曹原关于石墨烯超导的重大发现：当两层平行石墨烯堆成约1.1°的微妙角度，就会产生超导效应。这一发现直接开辟了凝聚态物理的一块新领域，有无数学者试图重复、拓展他的研究，这一成果堪称“第五大发明”。

世界最大的芯片代工厂台积电曾经口出狂言：虽然现在大陆有1万亿，但是也永远造不出一颗高端芯片。而就在曹原提出上述的突破石墨烯方法和理论后，中科院联合华为将其理论作为基础，展示出了8英寸石墨烯单晶晶圆，而这也意味着中国可以从此进入石墨烯芯片制造环节，与此同时，也向世界证明了中国有实力造出尺寸更大、性能更强的石墨烯单晶晶圆，在该领域居于世界领先地位。

Graphene

石墨烯以其超高的室温载流子迁移率、单原子层的超薄二维形态、室温物理化学稳定性以及柔性透明等特点，在电子应用尤其是射频电子器件领域具有应用潜力。

石墨烯在室温下的载流子迁移率约为15000cm2/（V·s），这一数值超过了硅材料的10倍，是已知载流子迁移率最高的物质锑化铟（InSb）的两倍以上。在某些特定条件下如低温下，石墨烯的载流子迁移率甚至可高达250000cm2/（V·s）。

与很多材料不一样，石墨烯的电子迁移率受温度变化的影响较小，50~500K之间的任何温度下，单层石墨烯的电子迁移率都在15000cm2/（V·s）左右。

另外，石墨烯中电子载体和空穴载流子的半整数量子霍尔效应可以通过电场作用改变化学势而被观察到，而科学家在室温条件下就观察到了石墨烯的这种量子霍尔效应。

石墨烯中的载流子遵循一种特殊的量子隧道效应，在碰到杂质时不会产生背散射，这是石墨烯局域超强导电性以及很高的载流子迁移率的原因。石墨烯中的电子和光子均没有静止质量，他们的速度是和动能没有关系的常数。

霍尔效应传感器

霍尔效应传感器也称霍尔传感器，是一个换能器，将变化的磁场转化为输出电压的变化。霍尔传感器首先可以进行电磁测量，如测量磁场、电流、电功率等磁物理量和电量。霍尔传感器还可以利用磁场作为媒介，对很多物理量实现非接触式测量，通过转换测量力、位移、振动、加速度、转速、流量等非电量，广泛应用于工业、交通、通信、自动控制、家用电器等各个领域。

霍尔传感器原理

因为是利用磁感原理，所以霍尔传感器有如下的优点：

（1）可用于探测多种物理量，例如位置感应，速度以及运动方向的感应。

（2）因为是固态设备，而且没有活动部件，所以不会出现摩擦及磨损，理论上有无限寿命。

（3）稳固，高重复性，几乎免维护。

（4）不受振动，灰尘和水的影响。

（5）可应用于高速测量，例如大于100KHz，而电容和电感式传感器在如此高速应用时，输出信号就会变得扭曲。

（6）低成本。

（7）体积小，可用于表面贴装。

霍尔传感器的缺点：

（1）线性霍尔传感器测量距离受限。

（2）外部磁场可能干扰测量值。

（3）因为高温会影响导体电阻，反过来，会影响载流子的迁移率和霍尔传感器的灵敏度。

霍尔效应传感器应用案例

Paragraf是一家生产高质量、大面积石墨烯电子设备的科技公司，总部位于英国剑桥附近，是剑桥大学材料科学系的衍生公司。Paragraf已经与欧洲核子研究组织（CERN）、英国国家物理实验室和劳斯莱斯合作，进一步在全球范围内扩张业务。Paragraf将推出下一个突破性产品，一种基于石墨烯的生物传感器，旨在改善医疗行业的即时医疗（PoC）。Paragraf的高管团队都拥有材料科学领域的背景，这为Paragraf能够走在石墨烯领域前沿奠定了基础。

Paragraf是全球第一家利用其独特的无污染技术，为石墨烯电子设备制造提供可扩展方法的公司。Paragraf目前的产品——石墨烯霍尔效应传感器系列，已广泛应用于航空航天、半导体、医疗保健、汽车、科学研究、工业和量子计算领域。

市面上传统的磁场传感器都会出现平面霍尔效应干扰测量结果，而Paragraf的石墨烯霍尔效应传感器在使用中几乎不存在平面霍尔效应，因此该产品也可在局部磁场中使用。

图：Paragraf 传感器（摘自Paragraf官网）

Paragraf 专利技术

通过传统CVD法制备的石墨烯是附着在金属基底上，无法直接应用于传感器中，需要将原先的金属基底刻蚀，再将石墨烯转移到半导体兼容基板上，这个过程不可避免地会引起石墨烯褶皱，还可能造成石墨烯污染，褶皱和污染导致结构不完整，结构不完整的石墨烯性能将大大下降。

Paragraf开创了一种使用金属-有机化学气相沉积法(Metal Organic Chemical Vapour Deposition，MOCVD)生产石墨烯的技术，并为其申请了专利。

MOCVD法是制造工艺领域的术语，用于描述一类在半导体晶片上直接沉积超薄单晶层的技术，该技术对温度控制和原材料的要求远高于CVD法。Paragraf是首个将MOCVD法运用于大量生产石墨烯的厂商，此前也有专利描述用MOCVD法生产石墨烯，但都没有提及生产结果。

Paragraf生产的霍尔效应传感器GHS系列有两款产品：GHS-A和GHS-C。

GHS-A推荐在常温条件下使用，以发挥其最佳性能，不过较低的温度环境也能发挥不错性能，适用于电动汽车、局部电流密度分析和电池等场景。

而GHS-C，是业界唯一一款可以在极端温度（低于3 K）下测量7特斯拉（T）及以上磁场强度的霍尔传感器。这款石墨烯霍尔传感器可以使商业用户在低温下准确测量高磁场强度，取代现有的核磁共振探针测绘步骤，通过更快的磁场映射提高生产力。这款传感器的性能与昂贵的磁场传感器一样,但体积更小、价格更低、功率更低。此外,它还特别耐辐射、高频和高电压。

Paragraf的石墨烯霍尔传感器GHS-C已经进入批量生产阶段，经过优化其可以在低温下提供高磁场测量，并且在测量中自身几乎没有热量散发。

Paragraf下一个突破性产品石墨烯生物传感器——GBS系列正在研发中。GBS系列可以在几分钟内完成几种不同常见疾病的检测，加快一线医院的检测速率，更及时精确地为患者提供诊疗方案。预计该产品将用于临床医学、兽医、环境监测、农业和食品安全等领域中。

希望我国的科研院所和石墨烯企业，也能根据石墨烯材料一些独特的性能，找到杀手锏级的应用，创造我国石墨烯产业新的里程碑！