ZESPÓŁ AUTORSKI

Politechnika Poznańska

Semir El-Ahmar (kierownik zespołu)
Wojciech Koczorowski
Piotr Kuświk

CO MOŻNA OSIĄGNĄĆ DZIĘKI WYNALAZKOWI?

Na obecnym etapie rozwoju przemysłu najpowszechniej stosowane są bezkontaktowe sensory pola magnetycznego. Czynną warstwę w przedstawionym przez nas wynalazku stanowi warstwa grafenu, dzięki czemu ma ona grubość pojedynczej warstwy atomowej. Zaproponowana geometria tak ekstremalnie cienkiego czujnika pozwoliła na osiągnięcie, jak do tej pory, najwyższej czułości na pole magnetyczne spośród podobnych urządzeń opartych na grafenie. Odkrycie to otwiera drogę do wytwarzania zintegrowanych elektronicznych systemów kontroli i sterowania (np. bezkontaktowych pomiarów położenia i kąta elementów wchodzących w skład mikrosystemów elektromechanicznych (MEMS), pomiarów prędkości obrotowej silników oraz wszędzie tam gdzie bezpośredni i ciągły pomiar wartości natężenia prądu jest niemożliwy). Kluczowym podzespołem tych systemów byłby zaprezentowany sub-mikrometrowy czujnik o wysokiej czułości i monoatomowej grubości warstwy czynnej.

ISTOTA WYNALAZKU

Przedmiotem wynalazku jest czujnik pola magnetycznego dwukońcówkowy z grafenową warstwą czynną oraz warstwą metaliczną. Załącznik nr 3 przedstawia schemat czujnika i obraz jego struktury wykonany za pomocą mikroskopu optycznego. Monoatomowa warstwa czynna (grafen) jest niewidoczna gołym okiem, dlatego na obrazie z mikroskopu optycznego jej kontury zostały zaznaczone kolorem czerwonym. Kluczem do otrzymania wysokiej czułości urządzenia jest zaproponowana specyficzna struktura geometryczna w postaci połączonych naprzemiennie wąskich pasków warstwy czynnej grafenu oraz warstwy metalicznych kontaktów. Warstwa czynna osadzona jest na podłożu izolującym (SiC - węglik krzemu), na której osadzona jest struktura warstwy metalicznych kontaktów, formując wspomnianą paskową strukturę geometryczną (tak, jak to zostało przedstawione na rysunku z załącznika 3). Końcówki czujnika – dwa kontakty elektryczne – służą zarówno do podłączenia prądu zasilania urządzenia, jak i do pomiaru sygnału – rejestrowania zmiany oporu czujnika podyktowanej umieszczeniem czujnika w polu magnetycznym, prostopadłym do jego powierzchni.

Strukturę prezentowanego czujnika pola magnetycznego wytwarza się w dwustopniowym procesie litografii optycznej. W pierwszym procesie połączonym z trawieniem jonowym następuje formowanie warstwy czynnej grafenu nadając jej charakterystyczny nieciągły (paskowy) kształt meandryczny. W drugim procesie nanoszone są warstwy metaliczne, również o strukturze paskowej, stanowiące elektrody zwierające. Połączenie między grafenem, a warstwą metaliczną realizowane jest w taki sposób, aby kontakt elektryczny między grafenem, a warstwą metaliczną występował zarówno w płaszczyźnie grafenu, jak i w płaszczyźnie do niej prostopadłej. Opis naukowy oraz wyniki pomiarów potwierdzające uzyskaną czułość zaprezentowane są w publikacji: Semir El-Ahmar, et al., Appl. Phys. Lett. 110, 043503 (2017).

POTENCJAŁ KOMERCJALIZACYJNY WYNALAZKU

Grafen posiada unikalne właściwości fizyko-chemiczne, które pozwalają na wytwarzanie urządzeń elektronicznych wykorzystujących prądy sterujące o gęstościach nieosiągalnych dla urządzeń bazujących na klasycznych półprzewodnikach. W prezentowanym rozwiązaniu wytworzony magnetorezystor grafenowy osiąga jedną z najwyższych czułości prądowych, co w połączeniu z małymi rozmiarami pozwala na zastosowanie go w aplikacjach niedostępnych dla czujników pola magnetycznego o typowych grubościach. Czułość urządzenia można w znacznym stopniu poprawić poprzez zastosowanie warstw grafenu o lepszych parametrach fizycznych tj. ruchliwość nośników ładunku. W obecnym stanie przemysłowych technik litograficznych możliwe jest wykonanie w/w czujnika w skali nanometrycznej oraz wykonanie matrycy czujników pozwalającej na pomiar powierzchniowego rozkładu pola magnetycznego. Jest to szczególnie istotne w powszechnie wykorzystywanej miniaturyzacji urządzeń mikrosystemów elektromechanicznych.