Graphene for future sensor applications

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1 Graphene Applications Summit, , London Graphene for future sensor applications Corporate Research Applied Research 1 Microsystem Technologies Dr. R. Rölver, Dr. T. Lutz Max Planck Institute for Solid State Research Solid State Nanophysics Dr. J. Smet, P. Herlinger 1

2 Outline Graphene: sensor relevant properties Relevant fabrication methods Possible sensor applications DNA encryption with graphene nanopore structures Graphene membranes for MEMS loudspeakers and microphones Graphene based Hall sensors for magnetic field measurements Graphene based piezoresistive pressure sensors Conclusion and outlook 2

3 Graphene for Future Sensor Applications Graphene: relevant properties 3 Geometrical and optical ultra-thin: one atomic layer low, but homogenous broadband absorption Mechanical high in-plane ultimate tensile strength flexible out-of-plane Electrical No intrinsic Bandgap 2DES on surface ultra high mobility Tunable carrier concentration by applying a back-gate contact Piezoresistive?

4 Relevant fabrication methods Top Down Mechanical Exfoliation (Scotch Tape Method) Benchmark in device properties µ max : cm²/vs, grain size: 1 mm Not suitable for mass production Pictures from MPI Stuttgart Chemical exfoliation Graphene ink of nano platelets µ max : <1000 cm²/vs, grain size: 200 nm Currently not suitable for electronic devices from: materials today 15, 12, pp

5 Relevant fabrication methods Bottom up Thermal decomposition of SiC (1500 C) Inhomogenous growth, not self limited Good electrical quality µ max : 3000 cm²/vs, grain size: 5 µm Maybe suitable for mass production from: Nature Mat. 8, 171 (2009) CVD on metal surfaces Self limited, homogenous growth Excellent electrical quality µ max : cm²/vs, grain size: 1 mm Suitable for mass production Graphene on Cu Graphene on Pt CVD grown Graphene on MPI Stuttgart Mass production methods for graphene growth exist Production method needs to be adjusted to application 5

6 DNA encryption Aim: Resolve individual base segments in single strain DNA (from: Ventkatesan et al.; Nature Nanotechn., Vol. 6, p. 615 (2011) Advantages of graphene nanopores Graphene monolayer resolve single base segments No DNA amplification necessary compared to classical sequencing methods Decode the human genome in <1d for <1000 Potential revolution in clinical diagnostics possible Decode DNA sequences with biological nanopores and electrical detection USB-stick format nanopore sequencer announced by Oxford Nanopore Tech. Problem: Limited accuracy (>4%) with >1 base/pore Alternative: Graphene nanopores 6

7 Graphene-based microphone/earphone multilayer of CVD grown graphene (d~30 nm) Aim: Use graphene as membrane material in microphones or earphones Advantage: Low stiffness and low mass lead to high deflection and possibly high acoustic fidelity Simulated sample at 2 Pa (100 db) (membrane 500 µm): 100 layer Graphene membrane: 36 µm deflection 1 µm thick Silicon membrane: 0,5 µm deflection Risks: High deflection favors pull-in effects Zettl group, Berkeley, arxiv: Potential of graphene for acoustic applications under close evaluation deflection simulation Membrane: 500 µm 100 layer graphene p: 2 Pa 7

8 Graphene magnetic Hall sensor Aim: Use graphene for highly sensitive magnetic Hall sensors Advantage: high mobility µ and tunable carrier concentration n could lead to high sensitivities and low power consumption Hall coefficient R H = 1/ne (sensitivity) Longitudinal resistivity ρ = 1/nµe (power consumption) J. Appl. Phys. 111, 7E509 (2012) Risk: material imperfections limit sensitivity to 800 nt/hz 0.5 For comparison Bosch magnetometer Hz (~100 nt/hz 0.5 ) Graphene Hall sensors still far away from their possible sensitivity limit Comparison of different Hall-Sensor materials [3] 8 (1) Si Hall sensor reference (2) InSb Hall sensor reference (3) Nature Sc. Rep. 3, 1207 (2013) (4) J. Appl. Phys. 111, 07E509 (2012)

9 Piezoresistive pressure sensor: introduction Bosch pressure sensing: Si-based membrane with piezoresistive material small total strain of ε = 0.1 % Requirements: sensor chip membrane bonding wires reference vacuum sufficient gauge factor k = (ΔR/R 0 ) / ε Sensitive in low strain regime (+/- 1% strain) negligible temperature dependence housing (metal) glass socle pressure Question: Is Graphene a piezoresistive material? 9

10 Graphene: Piezoresistivity large-area CVD (monolayer) graphene with larger grains: k = 2 geometrical effect little potential Percolative films of graphene nano platelets: k up to 300 k(r 0 ) Effect: tunnel currents between platelets little potential (Temperature and R 0 dependence) From APL 101, (2012) CVD grown Graphene mesh (Sc. Rep. 2, 870 (2012)) with small grain size: k up to [5] Works for larger strain (ε = 2 10 %) on flexible (PDMS) substrate Potential and working principle unclear Further evaluation necessary 10

11 Graphene mesh fabrication Cu-mesh Copper mesh (56 µm wire, 100 mesh/in²) Graphene CVD (CH 4 in Ar:H2 atmosphere, 1000 C) Selective wet chemical copper etch Graphene mesh transfer to flexible PDMS or Si stripe and contacting 4-point probe resistivity measurement Back gate contact to adjust γ-point Strain dependent Resistivity measurement Graphene mesh after Cu etch Contacted graphene mesh Large strain application for flexible samples Low strain application for layers on Si-stripes 11

12 Graphene mesh: Results and Discussion Low strain regime (mesh on Si) large strain (mesh on PDMS) No additional crack formation No change in current pathlength additional crack formation change in current pathlength Sc. Rep. 2, 395 (2012) Sc. Rep. 2, 870 (2012) 12 weak resistivity change with strain Not reversible High k-factors are generally no graphene specific property Applicability to real devices questionable (long term stability) strong resistivity change with large strain Only partly partly reversible

13 Graphene for Future Sensor Applications Conclusion Graphene is material with interesting prospects 13 Industrially relevant fabrication possible 2D-material DNA sensing Low stiffness microphone High mobility magnetic Hall-sensor Graphene has to compete with existing technology Graphene based (sensor) applications will still need 5-10 years to be competitive to mature sensing technologies Graphene is taken seriously by Bosch and is closely monitored by corporate research

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