#材料学# Springer材料期刊 | 四月编辑荐读：
3、宽带和窄带隙半导体纳米结构在石墨烯薄膜上的垂直单片集成 【全文链接https://t.cn/A6cRcMPh 】
from #Seoul National University#
摘要：我们报告了使用多层石墨烯膜作为悬浮衬底的砷化铟（InAs）纳米棒和氧化锌（ZnO）纳米管的单片集成，以及具有这些材料的混合配置的双波长光电探测器的制造。对于杂化纳米结构，分别通过金属-有机气相外延和分子束外延在石墨烯膜的顶部和底部表面垂直生长ZnO纳米管和InAs纳米棒。使用透射电子显微镜，光谱光响应分析和电流-电压测量研究了杂化纳米结构的结构，光学和电学特性。此外，混合纳米结构用于制造对紫外和中红外波长均敏感的双波长光电探测器。
3、宽带和窄带隙半导体纳米结构在石墨烯薄膜上的垂直单片集成 【全文链接https://t.cn/A6cRcMPh 】
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摘要：我们报告了使用多层石墨烯膜作为悬浮衬底的砷化铟（InAs）纳米棒和氧化锌（ZnO）纳米管的单片集成，以及具有这些材料的混合配置的双波长光电探测器的制造。对于杂化纳米结构，分别通过金属-有机气相外延和分子束外延在石墨烯膜的顶部和底部表面垂直生长ZnO纳米管和InAs纳米棒。使用透射电子显微镜，光谱光响应分析和电流-电压测量研究了杂化纳米结构的结构，光学和电学特性。此外，混合纳米结构用于制造对紫外和中红外波长均敏感的双波长光电探测器。
基于石墨烯的气体分子检测传感器的工作原理是测量材料导电率的变化。基于石墨烯的气体传感器的工作原理是在石墨烯表面吸附气体分子，作为电子的供体或受体。
研究表明，用石墨烯可以测量传导的量子尺度变化。考虑到这一点，将这些传感器推向最佳水平以检测单个气体分子的可能性似乎是可信的。这种最终的灵敏度可能与几个因素有关，包括测量时的温度和目标气体的流速。
在这一应用中，石墨烯拥有作为一种极低噪声材料的优势。正因为如此，即使在没有载流子和多出几个电子的极限情况下，石墨烯的载流子浓度也能够发生很大的变化。除了这个优点之外，石墨烯在这个应用中还可以在单晶上创建四探针器件。这保证了任何接触电阻对限制灵敏度的影响都被消除了。
化学传感器
也有研究表明，石墨烯是电解质栅极配置中有效的化学传感器。基于石墨烯的顶栅绝缘体可以在电解质中制造薄至1至5纳米，浓度为几毫摩尔。即使是最好的、采用原子层沉积(ALD)的顶栅石墨烯场效应晶体管(FET)也无法与这些水平相匹配。
在电化学DNA传感器、葡萄糖传感器等氧化酶生物传感器的电极材料，以及环境分析，特别是重金属离子检测方面，基于石墨烯的电化学传感器已经被开发出来。
研究表明，石墨烯在酶的直接电化学、小生物分子的电化学检测和电分析三个方面都优于碳纳米管。尽管取得了这一成功，但目前还不能批量生产这些应用所需的石墨烯，尽管这种情况正在迅速改变。
光电传感器
光电传感器的市场与透明导体中的铟锡氧化物（ITO）替代物基本相同。石墨烯的高导电性和近乎透明的特性使其成为光电电池和光电传感器中透明电极的一个吸引人的选择。
三星已经制造出了一款使用石墨烯替代ITO的触摸屏显示器产品，不过目前还不清楚这究竟是一个商业企业，还是仅仅展示了基于石墨烯的触摸屏显示器是未来的一种可能性。不管是哪种情况，石墨烯相对于ITO的关键优势在于，它与柔性屏幕的兼容性更强。
基于石墨烯的光电探测器的工作原理是测量光子通量。它通过将吸收的光子能量转换为电流来测量。与基于IV族和III-V族半导体的传统探测器相比，石墨烯基光电探测器具有更宽的工作波长范围。此外，石墨烯拥有比其他材料更优越的载流子迁移率，这意味着它的响应时间比其他光电探测器的响应时间快得多，这应该会转化为超快的光学传感器。
磁场传感器
最初，石墨烯似乎并不是磁场传感器应用的合适选择。典型的InAs传感器的室温霍尔系数要远远好于基于石墨烯的传感器，但是，当我们清楚石墨烯的厚度只有0.34纳米，而InAs的厚度为12纳米时，就会发现，与InAs相比，石墨烯确实具有吸引人的霍尔效应电阻。
此外，与典型的二维电子气体器件不同，石墨烯不必隐藏在额外的层下，这确实使其在霍尔效应传感方面具有一定的优势。
虽然最近的一些研究在一定程度上克服了这个问题，但基于石墨烯的磁场传感器在室温下电子的热激发比石墨烯的这种磁阻效应更占优势。
机械式传感器
机械传感器可以检测物理特性的变化，例如，通过感知影响材料的物理变形来检测材料何时受到了压力。机械传感器还能够检测谐振频率的变化，以及测量质量、力、压力、应变、速度、加速度和重量。
研究人员此前已经表明，石墨烯可以成功地用作应变和压力传感器。在基于石墨烯的应变和压力传感器中，利用石墨烯作为一种活性材料来感知物理信号，包括应变和压力。由于石墨烯材料具有较高的导电性，因此常被用作石墨烯基应变和压力传感器的导电层或电极。
传统的石墨烯基应变和压力传感器的传导方式包括电阻式、电容式和压电式。电阻式传感器将外力转化为电阻的变化，通过电信号的改变，可以直接被预埋的检测电路检测到。它通过电阻的变化获得电阻传感信号，电阻效应是石墨烯的特性。
由于石墨烯的高导电性和良好的机械性能，石墨烯基电阻传感器获得了超高的灵敏度。作为一种常见的应变和压力传感器，石墨烯基电阻传感器的优点很多，包括：
检测范围广
简单的设备建设
信号测试
电容式传感器可以通过将机械刺激信号转换为位移信号来检测不同形式的力。位移的变化会导致电容的变化，由于石墨烯具有高水平的导电性、吸引人的机械性能和大的比表面积，因此它是电容式传感器中电导体和电极的绝佳选择。
高灵敏度和快速响应的压电材料被广泛应用于压力传感器中，将压力转换成电信号。压电材料在机械变形时，会产生电荷，而电荷的作用也是相反的，所以当外部电场施加到压电材料上时，压电材料会发生机械变形。对此的研究表明，石墨烯可以被工程化，使其具有压电特性。
研究还表明，单层石墨烯可以实现负压电效应，双层和多层石墨烯可以实现正压电传导效应。基于石墨烯的压电传感器由于具有超快的响应时间和超高的灵敏度，已被用于检测连续静压信号和垂直振动。
柔性传感器
石墨烯基材料在柔性和可拉伸的应变和压力传感器、光电探测器、霍尔传感器、电化学传感器和生物传感器方面已经显示出潜力。
由于石墨烯固有的柔韧性，当对其施加机械应变时，其电性能不会降低。因此，石墨烯一直被认为是制造高伸缩性和柔性传感器和其他电子器件的理想材料。
对这一领域的进一步调查研究表明，柔性应变传感器可以由压阻石墨烯、微流体液态金属和可拉伸151弹性体制成。为了实现石墨烯传感元件的柔性电接触，将液态金属放入微流体通道中作为互连材料。
柔性应变传感器在可穿戴电子产品中可能会有应用，特别是在运动和锻炼过程中的监测目的。目前已有研究人员利用一种具有压缩特性的石墨烯基复合纤维开发出了这种类型的柔性应变传感器，并将其集成到可穿戴式应变传感器中。该传感器结构由以聚氨酯为核心纤维、聚酯纤维为高弹性纱线组成的。
近日，深耕行业20余年的传感器专家网，最新成立了一个传感器行业专业社群——【传感器智汇圈】，您可添加传感器专家网WX号（15012882502）来跟我们一起交流。
研究表明，用石墨烯可以测量传导的量子尺度变化。考虑到这一点，将这些传感器推向最佳水平以检测单个气体分子的可能性似乎是可信的。这种最终的灵敏度可能与几个因素有关，包括测量时的温度和目标气体的流速。
在这一应用中，石墨烯拥有作为一种极低噪声材料的优势。正因为如此，即使在没有载流子和多出几个电子的极限情况下，石墨烯的载流子浓度也能够发生很大的变化。除了这个优点之外，石墨烯在这个应用中还可以在单晶上创建四探针器件。这保证了任何接触电阻对限制灵敏度的影响都被消除了。
化学传感器
也有研究表明，石墨烯是电解质栅极配置中有效的化学传感器。基于石墨烯的顶栅绝缘体可以在电解质中制造薄至1至5纳米，浓度为几毫摩尔。即使是最好的、采用原子层沉积(ALD)的顶栅石墨烯场效应晶体管(FET)也无法与这些水平相匹配。
在电化学DNA传感器、葡萄糖传感器等氧化酶生物传感器的电极材料，以及环境分析，特别是重金属离子检测方面，基于石墨烯的电化学传感器已经被开发出来。
研究表明，石墨烯在酶的直接电化学、小生物分子的电化学检测和电分析三个方面都优于碳纳米管。尽管取得了这一成功，但目前还不能批量生产这些应用所需的石墨烯，尽管这种情况正在迅速改变。
光电传感器
光电传感器的市场与透明导体中的铟锡氧化物（ITO）替代物基本相同。石墨烯的高导电性和近乎透明的特性使其成为光电电池和光电传感器中透明电极的一个吸引人的选择。
三星已经制造出了一款使用石墨烯替代ITO的触摸屏显示器产品，不过目前还不清楚这究竟是一个商业企业，还是仅仅展示了基于石墨烯的触摸屏显示器是未来的一种可能性。不管是哪种情况，石墨烯相对于ITO的关键优势在于，它与柔性屏幕的兼容性更强。
基于石墨烯的光电探测器的工作原理是测量光子通量。它通过将吸收的光子能量转换为电流来测量。与基于IV族和III-V族半导体的传统探测器相比，石墨烯基光电探测器具有更宽的工作波长范围。此外，石墨烯拥有比其他材料更优越的载流子迁移率，这意味着它的响应时间比其他光电探测器的响应时间快得多，这应该会转化为超快的光学传感器。
磁场传感器
最初，石墨烯似乎并不是磁场传感器应用的合适选择。典型的InAs传感器的室温霍尔系数要远远好于基于石墨烯的传感器，但是，当我们清楚石墨烯的厚度只有0.34纳米，而InAs的厚度为12纳米时，就会发现，与InAs相比，石墨烯确实具有吸引人的霍尔效应电阻。
此外，与典型的二维电子气体器件不同，石墨烯不必隐藏在额外的层下，这确实使其在霍尔效应传感方面具有一定的优势。
虽然最近的一些研究在一定程度上克服了这个问题，但基于石墨烯的磁场传感器在室温下电子的热激发比石墨烯的这种磁阻效应更占优势。
机械式传感器
机械传感器可以检测物理特性的变化，例如，通过感知影响材料的物理变形来检测材料何时受到了压力。机械传感器还能够检测谐振频率的变化，以及测量质量、力、压力、应变、速度、加速度和重量。
研究人员此前已经表明，石墨烯可以成功地用作应变和压力传感器。在基于石墨烯的应变和压力传感器中，利用石墨烯作为一种活性材料来感知物理信号，包括应变和压力。由于石墨烯材料具有较高的导电性，因此常被用作石墨烯基应变和压力传感器的导电层或电极。
传统的石墨烯基应变和压力传感器的传导方式包括电阻式、电容式和压电式。电阻式传感器将外力转化为电阻的变化，通过电信号的改变，可以直接被预埋的检测电路检测到。它通过电阻的变化获得电阻传感信号，电阻效应是石墨烯的特性。
由于石墨烯的高导电性和良好的机械性能，石墨烯基电阻传感器获得了超高的灵敏度。作为一种常见的应变和压力传感器，石墨烯基电阻传感器的优点很多，包括：
检测范围广
简单的设备建设
信号测试
电容式传感器可以通过将机械刺激信号转换为位移信号来检测不同形式的力。位移的变化会导致电容的变化，由于石墨烯具有高水平的导电性、吸引人的机械性能和大的比表面积，因此它是电容式传感器中电导体和电极的绝佳选择。
高灵敏度和快速响应的压电材料被广泛应用于压力传感器中，将压力转换成电信号。压电材料在机械变形时，会产生电荷，而电荷的作用也是相反的，所以当外部电场施加到压电材料上时，压电材料会发生机械变形。对此的研究表明，石墨烯可以被工程化，使其具有压电特性。
研究还表明，单层石墨烯可以实现负压电效应，双层和多层石墨烯可以实现正压电传导效应。基于石墨烯的压电传感器由于具有超快的响应时间和超高的灵敏度，已被用于检测连续静压信号和垂直振动。
柔性传感器
石墨烯基材料在柔性和可拉伸的应变和压力传感器、光电探测器、霍尔传感器、电化学传感器和生物传感器方面已经显示出潜力。
由于石墨烯固有的柔韧性，当对其施加机械应变时，其电性能不会降低。因此，石墨烯一直被认为是制造高伸缩性和柔性传感器和其他电子器件的理想材料。
对这一领域的进一步调查研究表明，柔性应变传感器可以由压阻石墨烯、微流体液态金属和可拉伸151弹性体制成。为了实现石墨烯传感元件的柔性电接触，将液态金属放入微流体通道中作为互连材料。
柔性应变传感器在可穿戴电子产品中可能会有应用，特别是在运动和锻炼过程中的监测目的。目前已有研究人员利用一种具有压缩特性的石墨烯基复合纤维开发出了这种类型的柔性应变传感器，并将其集成到可穿戴式应变传感器中。该传感器结构由以聚氨酯为核心纤维、聚酯纤维为高弹性纱线组成的。
近日，深耕行业20余年的传感器专家网，最新成立了一个传感器行业专业社群——【传感器智汇圈】，您可添加传感器专家网WX号（15012882502）来跟我们一起交流。
霍尔效应传感器是什么？
霍尔效应传感器基本上由一块薄的矩形p型半导体材料组成，例如砷化镓（GaAs），锑化铟（InSb）或砷化铟（InAs），它们通过自身连续的电流。当器件放置在磁场中时，磁通线在半导体材料上施加力，该力使电荷载流子，电子和空穴偏转到半导体板的任一侧。电荷载流子的这种运动是它们经过半导体材料所经受的磁力的结果。当这些电子和空穴移动侧边时，通过这些电荷载流子的积累在半导体材料的两侧之间产生电位差。然后，电子通过半导体材料的运动受到与其成直角的外部磁场的影响，并且这种效果在扁平矩形材料中更大。通过使用磁场产生可测量电压的效果被称为18世纪70年代后发现它的霍华德霍尔的霍尔效应，霍尔效应的基本物理原理是洛伦兹力。以产生跨越所述装置的电势差的磁通线必须垂直，（90 ø到的电流的流动），并按照正确的极性，通常一个南极的。霍尔效应提供有关磁极类型和磁场大小的信息。例如，南极会导致器件产生电压输出，而北极则无效。通常，当没有磁场存在时，霍尔效应传感器和开关被设计为处于“关闭”状态（开路状态）。它们仅在经受足够强度和极性的磁场时才变为“接通”，（闭路状态）
霍尔效应传感器提供线性或数字输出。线性（模拟）传感器的输出信号直接取自运算放大器的输出，输出电压与通过霍尔传感器的磁场成正比。线性或模拟传感器提供连续的电压输出，其随着强磁场而增加，并且随着弱磁场而减小。在线性输出霍尔效应传感器中，随着磁场强度的增加，放大器的输出信号也会增加，直到它开始饱和电源施加的限制。任何额外的磁场增加都不会对输出产生影响，但会使其更加饱和。另一方面，数字输出传感器具有施密特触发器，内置滞后连接到运算放大器。当通过霍尔传感器的磁通量超过预设值时，器件的输出在其“关闭”状态之间快速切换到“接通”状态而没有任何类型的接触反弹。当传感器移入和移出磁场时，这种内置滞后消除了输出信号的任何振荡。然后数字输出传感器只有两种状态，“ON”和“OFF”。有两种基本类型的数字霍尔效应传感器，双极和单极。双极传感器需要一个正磁场（南极）来操作它们，一个负磁场（北极）释放它们，而单极传感器只需要一个磁性南极来操作和释放它们进出磁场领域。大多数霍尔效应器件不能直接切换大电气负载，因为它们的输出驱动能力非常小，大约10到20mA。对于大电流负载，将一个集电极开路（电流吸收）NPN晶体管添加到输出端。该晶体管在其饱和区域内作为NPN吸收开关工作，只要施加的磁通密度高于“ON”预设点，就会使输出端短接到地。输出开关晶体管可以是开放式发射极晶体管，开路集电极晶体管配置或两者都提供推挽输出型配置，其可以吸收足够的电流以直接驱动许多负载，包括继电器，电动机，LED和灯。
霍尔效应传感器的优点：
（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。
当然，也正因为如此，它也有一些缺点：
（1）线性霍尔传感器，测量距离受限。
（2）因为利用磁性，所以外部磁场可能会影响测量值。
（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。
霍尔效应传感器基本上由一块薄的矩形p型半导体材料组成，例如砷化镓（GaAs），锑化铟（InSb）或砷化铟（InAs），它们通过自身连续的电流。当器件放置在磁场中时，磁通线在半导体材料上施加力，该力使电荷载流子，电子和空穴偏转到半导体板的任一侧。电荷载流子的这种运动是它们经过半导体材料所经受的磁力的结果。当这些电子和空穴移动侧边时，通过这些电荷载流子的积累在半导体材料的两侧之间产生电位差。然后，电子通过半导体材料的运动受到与其成直角的外部磁场的影响，并且这种效果在扁平矩形材料中更大。通过使用磁场产生可测量电压的效果被称为18世纪70年代后发现它的霍华德霍尔的霍尔效应，霍尔效应的基本物理原理是洛伦兹力。以产生跨越所述装置的电势差的磁通线必须垂直，（90 ø到的电流的流动），并按照正确的极性，通常一个南极的。霍尔效应提供有关磁极类型和磁场大小的信息。例如，南极会导致器件产生电压输出，而北极则无效。通常，当没有磁场存在时，霍尔效应传感器和开关被设计为处于“关闭”状态（开路状态）。它们仅在经受足够强度和极性的磁场时才变为“接通”，（闭路状态）
霍尔效应传感器提供线性或数字输出。线性（模拟）传感器的输出信号直接取自运算放大器的输出，输出电压与通过霍尔传感器的磁场成正比。线性或模拟传感器提供连续的电压输出，其随着强磁场而增加，并且随着弱磁场而减小。在线性输出霍尔效应传感器中，随着磁场强度的增加，放大器的输出信号也会增加，直到它开始饱和电源施加的限制。任何额外的磁场增加都不会对输出产生影响，但会使其更加饱和。另一方面，数字输出传感器具有施密特触发器，内置滞后连接到运算放大器。当通过霍尔传感器的磁通量超过预设值时，器件的输出在其“关闭”状态之间快速切换到“接通”状态而没有任何类型的接触反弹。当传感器移入和移出磁场时，这种内置滞后消除了输出信号的任何振荡。然后数字输出传感器只有两种状态，“ON”和“OFF”。有两种基本类型的数字霍尔效应传感器，双极和单极。双极传感器需要一个正磁场（南极）来操作它们，一个负磁场（北极）释放它们，而单极传感器只需要一个磁性南极来操作和释放它们进出磁场领域。大多数霍尔效应器件不能直接切换大电气负载，因为它们的输出驱动能力非常小，大约10到20mA。对于大电流负载，将一个集电极开路（电流吸收）NPN晶体管添加到输出端。该晶体管在其饱和区域内作为NPN吸收开关工作，只要施加的磁通密度高于“ON”预设点，就会使输出端短接到地。输出开关晶体管可以是开放式发射极晶体管，开路集电极晶体管配置或两者都提供推挽输出型配置，其可以吸收足够的电流以直接驱动许多负载，包括继电器，电动机，LED和灯。
霍尔效应传感器的优点：
（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。
当然，也正因为如此，它也有一些缺点：
（1）线性霍尔传感器，测量距离受限。
（2）因为利用磁性，所以外部磁场可能会影响测量值。
（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。
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