加拿大韦仕敦大学:快速&无线检测低电磁辐射的石墨烯基磁场传感器

Hybrid Reduced Graphene Oxide with Special Magnetoresistance for Wireless Magnetic Field Sensor

Songlin Yang, Mingyan Tan, Tianqi Yu, Xu Li, Xianbin Wang, Jin Zhang*
Nano-Micro Lett.(2020)12:69
https://doi.org/10.1007/s40820-020-0403-9
本文亮点

1 经济高效且省时的制备了具有特殊磁阻特性杂化还原氧化石墨烯(rGO)纳米片
2 制备的杂化rGO纳米片在室温低磁场下具有较大的磁阻,可用于无线磁场传感器,以快速检测低电磁辐射。
内容简介

在室温低磁场下,很少有材料具备大的磁阻(MR),因此会阻碍开发用于实时检测低水平电磁辐射的磁场传感器。本文,通过在还原氧化石墨烯(rGO)上原位沉积FeCo纳米颗粒(NPs)来生产基于杂化还原氧化石墨烯(rGO)的磁场传感器。观察到杂化rGO的特殊量子磁阻(MR),这揭示了Abrikosov的分层材料的量子模型可以在混合rGO中应用。同时,通过调整rGO纳米片上FeCo的颗粒密度可以调整MR值。在室温下,在10 kOe时,具有非常高的MR值,高达21.02±5.74%,每kOe的平均电阻增加率高达0.9282Ω/kOe。基于混合rGO的磁场传感器可以嵌入无线系统中,以实时检测工作中的手机所产生的低水平电磁辐射。

研究背景

磁阻(MR)是指材料在外部磁场下的电阻变化。大多数商业化的磁场传感器都采用霍尔效应技术。最近,超导量子干扰检测器(SQUID)和自旋共振磁力计已被开发出来,用于检测由人工来源引起的低磁场。比起这些磁场传感器,基于MR-磁场传感器具有成本低,能耗少,物理尺寸和高能力在检测低磁场方面有利。但是,由于缺乏在室温低磁场下具有高MR特性的材料,很少有研究报道使用磁场传感器来检测或测量低水平EMR。

图文导读

I 用于传感器节点的FeCo / rGO杂化纳米片的开发

用肼还原氧化石墨烯获得rGO,在rGO表面引入缺陷和胺基。在改进的一锅法中,铁(Fe2+)盐和钴(Co2+)盐的混合物反应生成FeCo纳米结构沉积在rGO纳米片的表面。在一锅法反应中分别引入了不同量的rGO,它们随rGO的质量比的增加而分别表示为样品1至样品5(MrGO)从10到50 wt%,间隔为10%。

图1. FeCo/rGO样品的TEM图。(a)样品1的TEM图(MrGO = 10 wt%),插图是样品1的SAED图;(b)样品1的尺寸分布;(c)样品5的TEM图(MrGO = 50 wt%),插图是样品5的SAED图;(d)样品5的尺寸分布。(e)样品5的高倍率TEM图。

为了进一步研究沉积在rGO片材上的FeCo双金属NP的晶体结构,与通过多元醇法制备的rGO纳米片材和FeCo NPs相比,通过X射线粉末衍射(XRD)测量了混合rGO样品。在图  2a rGO片XRD图谱中23.5°和43.3°左右两个宽衍射峰分别表示rGO的(002)和(100)面。不含rGO的FeCo NP的XRD谱图有两个峰,分别位于FeCo合金的(110)和(200)晶面,中心为44.8°和65.3°。

图2 (a)FeCo NP,FeCo/rGO杂化物(即样品2,MrGO=20 wt%)和rGO的XRD图谱;(b)通过EDX测量,具有不同MrGO的Fe和Co的原子比;(c)XPS样品2、4和5的光谱图(即MrGO分别为20 wt%,40 wt%和50 wt%)。

II FeCo/rGO杂化纳米片的特殊磁阻

通过在环境温度下振动样品磁力计(VSM)测量所有样品的磁滞回线。FeCo系/ RGO杂交表明由于小的粒径都超顺磁性和铁磁性的行为如示于图 3a。所有样品的矫顽力均小于250 Oe。样品(MrGO=10–50 wt%)在10 kOe下的饱和磁化强度(Ms)分别为74、36、28、14和12 emu/g。FeCo/rGO杂化物的Ms随着MrGO的增加而降低。为了研究MR特性(MR(%),ΔR/R0),并进一步了解MR和MrGO之间的关系,测量了样品1-5当磁场从0增加到10 kOe时的MR。在图3b,当所有样本磁场从0增加到10 kOe时,MR值增加。作为功能MrGO的每kOe的MR(%)的平均增加率从MrGO=10 wt%时的0.45±0.10%增加到MrGO=50 wt%时的2.50±0.07%。样品1至5(MrGO=10–50 wt%)在10kOe下的平均MR分别为4.60±1.27%,6.03±1.37%,9.44±3.52%,15.25±4.85%和21.02±5.74%。

图3. (a)FeCo/RGO样品1至5的磁滞回线图;(b)所有5个样品在室温下从0到10 kOe的磁场下MR值;(c)在室温10kOe时,MR随着MrGO的增加而增加。

III 具有特殊MR特性的混合rGO的无线磁场传感系统

当磁场从0增加到10 kOe时,杂化rGO纳米片的磁阻(ΔR,Ω)增大。为了利用具有特殊MR的混合rGO纳米片实时检测低电磁辐射,我们进一步将由混合rGO纳米片制成的磁场传感器集成到无线通信系统中(图4a)。工作中的手机的平均最大功率密度在0.01–0.1 mW/cm2的范围内,约100 nT。先前的研究表明,长期暴露于低水平(1.0–2.5 mW/cm2,1 MT)EMR可能导致潜在的健康风险。当磁场从0增加到10 kOe(1 T)时,我们开发的混合rGO已显示出MR的强烈变化。与传统的现场感测设备相比,我们通过使用FeCo/rGO混合纳米片开发的无线感测节点具有便携性,实时检测以及灵活的数据收集和通信的优势。

图4. (a)无线磁场感测过程的示意图;(b)基于FeCo / rGO混合体的磁场传感器;(c)传感系统中的信号指示器(iii)(LED标记为黄色圆圈);(d)无线磁场感应过程。当传感器的电阻受到外部电磁辐射源的影响时,数据中心(i)接收从无线磁场感测节点(ii)发送的电压干扰,并向无线信号指示器(iii)发送远程命令以打开LED(小插图)作为警报。

作者简介

Jin Zhang

本文通讯作者

Western University

主要研究领域

(1)多功能纳米复合材料的加工和性质,(2)靶向药物递送,(3)蛋白质和化学传感器。
Email: jzhang@eng.uwo.ca
个人主页 
https://www.eng.uwo.ca/chemical/faculty/zhang_j/
撰稿:《纳微快报》编辑部

编辑:《纳微快报》编辑部

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