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Durante más de 15 años, los investigadores han explorado formas de desarrollar productos electrónicos utilizando materiales 2D. Si bien el grafeno ha estado en el centro de los esfuerzos de investigación, hasta hace poco, ningún método para fabricar grafeno ha sido adecuado para su comercialización.
Es posible que este ya no sea el caso con la entrada de la empresa británica Paragraf en la escena a partir de 2017. Desde que se separó de la Universidad de Cambridge, la empresa ha desarrollado el primer proceso del mundo para crear grafeno en una oblea semiconductora, sacando efectivamente la electrónica basada en grafeno. de la academia y en la industria.

Sensor Hall de grafeno GHS01AT. Imagen utilizada por cortesía de Paragraf

Ahora, la compañía está lanzando al mercado "los primeros sensores de efecto Hall de grafeno comerciales del mundo". El equipo de All About Circuits habló con Ellie Galanis, propietaria del producto de la nueva línea de sensores de efecto Hall de Paragraf, para conocer las noticias de primera mano.

¿Por qué el grafeno?

De todos los materiales 2D, el grafeno ha sido posiblemente el más estudiado durante la última década, y por una buena razón. "El grafeno es increíble porque tienes algo que es solo una capa de carbono del grosor de un átomo", dice Galanis. "Casi no hay nada allí, y sin embargo, hace cosas increíbles".
Debido a que el grafeno tiene solo un átomo de espesor, promete un día de electrónica flexible, transparente e inmune a los efectos de los campos magnéticos extraviados, algo crucial para desarrollar sensores de efecto Hall de alta resolución.

Movilidad electrónica del grafeno frente a otros materiales. Imagen utilizada por cortesía del MIT

Sin embargo, los beneficios del grafeno van más allá de su dimensionalidad. El grafeno también tiene una movilidad de electrones de 2.5 × 10 ^ 5 cm − 2 V − 1 sa temperatura ambiente, un número 200 veces mayor que el del silicio. Además, el grafeno también ofrece una conductividad térmica extremadamente alta de 4000 Wm − 1 K − 1, que también supera al silicio. Juntos, estos dos factores hacen del grafeno un conductor energéticamente eficiente que puede operar en un rango muy amplio de temperaturas, incluidas las temperaturas criogénicas.
Debido a que el sensor no ve ningún componente de campo en el mismo plano que el grafeno, el GHS basado en grafeno ofrece mediciones precisas de los componentes de campo perpendiculares, lo que a su vez da como resultado una alta resolución.
Cualquiera de esas propiedades haría que el grafeno fuera muy interesante en términos de cómo podría transformar la electrónica ", señala Galanis." Pero el hecho de que este material lo tenga todo integrado en uno es lo que lo hace muy interesante ".

Obstáculos previos a las obleas de grafeno

Si el grafeno es un "material maravilloso", ¿por qué no se ha comercializado para sensores y electrónica de estado sólido? Galanis explica que, a escala de laboratorio, los investigadores suelen producir grafeno cultivándolo sobre un sustrato de cobre.
Sin embargo, esta técnica de cultivo de grafeno sobre una base conductora hace que el material sea inútil para la electrónica. Los investigadores deben extraer el grafeno del cobre recubriendo el material con polímero y grabando el cobre antes de colocar el grafeno en el sustrato de su elección. El problema es que el material de grafeno final se contamina con el cobre original.

El desafío de transferir grafeno de una base de cobre hace que el material sea inútil para los dispositivos electrónicos. Imagen utilizada por cortesía de Paragraf

Además, este proceso manual puede ser bastante tedioso, lo que hace imposible escalar la producción de grafeno.
Paragraf afirma haber descifrado el código de escalabilidad al hacer crecer el grafeno directamente en una oblea semiconductora, esencialmente absolviendo la necesidad de cualquier técnica de transferencia engorrosa. La empresa lleva a cabo toda su propia investigación, diseño y fabricación internamente en sus instalaciones de Cambridge.

Nuevos sensores de efecto Hall de grafeno

El nuevo sensor de efecto hall de grafeno (GHS) de Paragraf, el GHS01AT, funciona como sensores de campo magnético muy costosos en un dispositivo mucho más pequeño, más barato y de menor potencia. La compañía dice que también es especialmente resistente a la radiación, alta frecuencia y alto voltaje.
El sensor alcanza una resolución <0,2 ppm, consume energía en la magnitud de picowatts y soporta temperaturas de hasta 250 ° C. Sin embargo, este dispositivo es comparable en tamaño y costo a un sensor de estado sólido de gama baja. Aún así, Galanis comparó el rendimiento de detección magnética del nuevo GHS con los magnetómetros fluxgate o las sondas de RMN.

Especificaciones de Paragraf GHS. Imagen utilizada por cortesía de Paragraf

El GHS está construido pensando en la facilidad de diseño. El dispositivo es un circuito integrado de cuatro terminales que funciona con una corriente de entrada y una lectura de voltaje como salida.

Kit de inicio de matriz GHS
Además, Paragraf está lanzando un kit de inicio GHS Array, que permitirá a los usuarios probar las baterías mediante la recopilación de datos de ocho sensores a la vez. Los probadores pueden colocar sensores en varios puntos de la celda y monitorear simultáneamente lo que sucede en una celda o paquete de celdas.
Galanis explica que esta herramienta de prueba podría proporcionar un gran valor para los desarrolladores que reutilizan las celdas de batería que se han utilizado en vehículos eléctricos. Para examinar estas celdas para el control de calidad, los investigadores actualmente exploran la química, el formato, el factor de forma y la edad de las celdas de la batería para detectar la formación de puntos calientes antes de que se convierta en un problema.

Kit de inicio de matriz GHS. Imagen utilizada por cortesía de Paragraf

Utilizando una serie de sensores GHS, los desarrolladores pueden tomar una imagen y evaluar rápidamente si hay indicios de formación de puntos de acceso. Si hay una advertencia de estos puntos de acceso, los desarrolladores pueden construir sensores Hall de grafeno en paquetes de baterías para proporcionar alertas de fallas tempranas.

Los sensores de grafeno Hall se encargan de la I + D de la batería

Paragraf cree que estos nuevos GHS son prometedores en varias industrias, incluidos los fabricantes de automóviles de primer nivel, las cadenas de suministro de aviación, los fabricantes de sistemas médicos y los laboratorios científicos.
El caso de uso principal del GHS01AT son las pruebas y el monitoreo de I + D de baterías. Los sensores de Graphene Hall son capaces de medir de manera única las corrientes que soplan en las celdas de la batería (en el rango de μT a mT).
"Ningún otro sensor magnético puede medir este rango completo con la resolución requerida, y eso abre oportunidades realmente interesantes para el análisis de celdas de batería", comenta Galanis. "Nuestro sensor Hall de grafeno, por lo tanto, puede proporcionar una medición más rápida y directa de la densidad de corriente celular y la resistencia interna".