گرافن

محققان اولین نیمه هادی کاربردی ساخته شده از گرافن را ایجاد کردند 0000

محققان اولین نیمه هادی کاربردی ساخته شده از گرافن را ایجاد کردند 0000

محققان موسسه فناوری جورجیا اولین نیمه هادی کاربردی جهان را ساخته اند که از گرافن ساخته شده است، ورقه ای از اتم های کربن که توسط قوی ترین پیوندهای شناخته شده در کنار هم قرار گرفته اند.

نیمه هادی ها موادی هستند که جریان الکتریکی را تحت شرایط خاص هدایت می کنند و اجزای اساسی دستگاه های الکترونیکی هستند.

پیشرفت این تیم در ایجاد نیمه هادی ساخته شده از گرافن، راه جدیدی را برای انجام کارهای الکترونیکی باز می کند.

تحقیق جدید «گرافن هم‌رسانی نیمه‌رسانا با تحرک فوق‌العاده بالا بر روی کاربید سیلیکون» در Nature منتشر شده است.

نیمه هادی های گرافن می توانند راه جدیدی برای پیشرفت باشند

کشف آنها در زمانی اتفاق می‌افتد که سیلیکون، ماده‌ای که تقریباً تمام وسایل الکترونیکی مدرن از آن ساخته می‌شوند، در مواجهه با محاسبات سریع‌تر و دستگاه‌های الکترونیکی کوچک‌تر به حد خود رسیده است.

نیمه هادی ساخته شده از گرافن با روش های مرسوم پردازش میکروالکترونیک سازگار است – که برای هر جایگزین مناسبی برای سیلیکون ضروری است.

والتر دی هیر، پروفسور فیزیک ریجنتز در جورجیا تک، گفت: «ما اکنون یک نیمه هادی گرافنی بسیار قوی با قابلیت تحرک ده برابر سیلیکون داریم و همچنین دارای خواص منحصر به فردی است که در سیلیکون موجود نیست. “اما آیا می توانیم آن را به کار بیاندازیم؟”

وی ادامه داد: امید به معرفی سه ویژگی خاص گرافن به الکترونیک بود.

این یک ماده بسیار قوی است که می تواند جریان های بسیار بزرگی را تحمل کند و می تواند بدون گرم شدن و از هم پاشیدن این کار را انجام دهد.

دی هیر زمانی که او و تیمش کشف کردند که چگونه گرافن را بر روی ویفرهای کاربید سیلیکون با استفاده از کوره‌های مخصوص رشد دهند، به موفقیت دست یافت.

آنها گرافن اپیتاکسیال را تولید کردند که یک لایه منفرد است که روی سطح کریستالی کاربید سیلیکون رشد می کند. این تیم دریافتند که وقتی به درستی ساخته شد، گرافن همپایه از نظر شیمیایی به کاربید سیلیکون متصل شد و شروع به ایجاد یک نیمه هادی ساخته شده از گرافن کرد.

هموار کردن راه برای استفاده تجاری از گرافن در نانوالکترونیک

گرافن در شکل طبیعی خود نه نیمه هادی است و نه فلز، بلکه یک نیمه فلز است. شکاف نواری ماده ای است که می تواند وقتی میدان الکتریکی روی آن اعمال می شود روشن و خاموش شود، به این ترتیب تمام ترانزیستورها و الکترونیک سیلیکونی کار می کنند.

سوال اصلی در تحقیقات الکترونیک گرافن این بود که چگونه آن را خاموش و روشن کنیم تا مانند یک نیمه هادی سیلیکونی کار کند.

با این حال، برای ساخت یک ترانزیستور کاربردی، یک ماده نیمه رسانا باید تا حد زیادی دستکاری شود، که می تواند به خواص آن آسیب برساند. این تیم نیاز به اندازه‌گیری ویژگی‌های الکترونیکی آن بدون آسیب رساندن به آن داشتند تا ثابت کنند که می‌توانند یک نیمه‌رسانای زنده ساخته شده از گرافن تولید کنند.

آن‌ها اتم‌هایی را روی گرافن قرار می‌دهند که الکترون‌هایی را به سیستم اهدا می‌کنند – تکنیکی به نام دوپینگ که برای بررسی اینکه آیا این ماده رسانای خوبی است یا خیر.

بدون آسیب رساندن به مواد یا خواص آن کار کرد.

اندازه گیری های این تیم نشان داد که نیمه هادی گرافنی آنها ده برابر بیشتر از سیلیکون تحرک دارد. این بدان معناست که الکترون‌ها با مقاومت بسیار کم حرکت می‌کنند که در الکترونیک به محاسبات سریع‌تر تبدیل می‌شود.

دی هیر توضیح داد: «مثل رانندگی در یک جاده شنی است در مقابل رانندگی در یک بزرگراه. کارآمدتر است، آنقدر گرم نمی‌شود و سرعت‌های بالاتری را می‌دهد تا الکترون‌ها بتوانند سریع‌تر حرکت کنند.»

محصول این تیم در حال حاضر تنها نیمه هادی دو بعدی با تمام خواص لازم برای استفاده در نانوالکترونیک است و خواص الکتریکی آن بسیار برتر از هر نیمه هادی دو بعدی دیگری است که در حال حاضر در حال توسعه است.

آینده نیمه هادی های گرافن

گرافن اپیتاکسیال می‌تواند باعث تغییر پارادایم در حوزه الکترونیک شود و امکان استفاده از فناوری‌های کاملاً جدیدی را فراهم کند که از ویژگی‌های منحصر به فرد آن بهره می‌برند.

این ماده اجازه می دهد تا از خواص موج مکانیکی کوانتومی الکترون ها استفاده شود که برای محاسبات کوانتومی مورد نیاز است.

دی هیر گفت: “انگیزه ما برای ایجاد یک نیمه هادی ساخته شده از گرافن برای مدت طولانی وجود داشته است و بقیه فقط در حال تحقق آن بودند.”

او در پایان گفت: ما باید یاد می گرفتیم که چگونه با مواد رفتار کنیم، چگونه آن را بهتر و بهتر کنیم و در نهایت چگونه خواص را اندازه گیری کنیم. این خیلی خیلی طول کشید.»

آشنایی با گرافن

گرافن چیست؟

گرافن یک لایه (تک لایه) از اتم های کربن است که در یک شبکه لانه زنبوری شش ضلعی محکم به هم متصل شده است. این یک آلوتروپ کربن به شکل صفحه ای از اتم های متصل به sp2 با طول پیوند مولکولی 0.142 نانومتر است. لایه‌هایی از گرافن که روی هم چیده شده‌اند، گرافیت را تشکیل می‌دهند، با فاصله بین سطحی 0.335 نانومتر. لایه‌های جداگانه گرافن در گرافیت توسط نیروهای واندروالس در کنار هم نگه داشته می‌شوند که می‌توان در هنگام لایه‌برداری گرافن از گرافیت بر آن غلبه کرد.

گرافن نازک ترین ترکیب شناخته شده برای انسان با ضخامت یک اتم، سبک ترین ماده شناخته شده (با 1 متر مربع وزن حدود 0.77 میلی گرم)، قوی ترین ترکیب کشف شده (بین 100 تا 300 برابر قوی تر از فولاد با مقاومت کششی 130 گیگا پاسکال و مدول یانگ 1 TPa – 150,000,000 psi)، بهترین هادی گرما در دمای اتاق (در (4.84±0.44) × 10^3 تا (5.30±0.48) × 10^3 W·m-1·K-1) و همچنین بهترین رسانای الکتریسیته شناخته شده است (مطالعات تحرک الکترون را در مقادیر بیش از 200000 cm2·V-1·s-1 نشان داده است). دیگر ویژگی‌های قابل توجه گرافن جذب یکنواخت نور در بخش‌های مرئی و نزدیک به مادون قرمز طیف (πα ≈ 2.3٪) و مناسب بودن بالقوه آن برای استفاده در انتقال اسپین است.

با در نظر گرفتن این موضوع، ممکن است تعجب کنید که بدانید کربن دومین جرم فراوان در بدن انسان و چهارمین عنصر فراوان در جهان (از نظر جرم)، پس از هیدروژن، هلیوم و اکسیژن است. این امر، کربن را به پایه شیمیایی تمام حیات شناخته شده روی زمین تبدیل می کند و گرافن را به طور بالقوه به یک راه حل سازگار با محیط زیست و پایدار برای تعداد تقریبا نامحدودی از کاربردها تبدیل می کند.

از زمان کشف (یا دقیق تر، دستیابی مکانیکی) گرافن، کاربردها در رشته های مختلف علمی افزایش یافته است و دستاوردهای بزرگی به ویژه در الکترونیک فرکانس بالا، حسگرهای زیستی، شیمیایی و مغناطیسی، آشکارسازهای نوری با پهنای باند فوق العاده وسیع و انرژی حاصل شده است. ذخیره سازی و تولید

چالش های تولید گرافن
در ابتدا، تنها روش ساخت گرافن با مساحت بزرگ، یک فرآیند بسیار گران قیمت و پیچیده (رسوب بخار شیمیایی، CVD) بود که شامل استفاده از مواد شیمیایی سمی برای رشد گرافن به صورت تک لایه با قرار دادن پلاتین، نیکل یا کاربید تیتانیوم در معرض اتیلن یا بنزن در دمای بالا هیچ جایگزینی برای استفاده از اپیتاکسی کریستالی بر روی چیزی غیر از یک بستر فلزی وجود نداشت. این مشکلات تولید باعث شد گرافن در ابتدا برای تحقیقات توسعه ای و استفاده های تجاری در دسترس نباشد. همچنین، استفاده از گرافن CVD در الکترونیک به دلیل دشواری حذف لایه‌های گرافن از بستر فلزی بدون آسیب رساندن به گرافن، مانع شد.

با این حال، مطالعات در سال 2012 نشان داد که با تجزیه و تحلیل انرژی چسب سطحی گرافن، می توان به طور موثر گرافن را از تخته فلزی که روی آن رشد می کند جدا کرد، در حالی که از نظر تئوری می توان از تخته برای کاربردهای آینده مجدداً تعداد بی نهایت بار استفاده کرد. کاهش ضایعات سمی که قبلاً در این فرآیند ایجاد شده بود. علاوه بر این، کیفیت گرافنی که با استفاده از این روش جدا شده بود به اندازه کافی بالا بود تا دستگاه های الکترونیکی مولکولی ایجاد شود.

تحقیقات در زمینه رشد گرافن CVD از آن زمان با جهش پیشرفت کرده است، و کیفیت گرافن را به یک مورد برای پذیرش فناوری تبدیل کرده است، که اکنون توسط هزینه زیرلایه فلزی زیرین کنترل می شود. با این وجود، تحقیقات برای تولید مداوم گرافن بر روی بسترهای سفارشی با کنترل ناخالصی‌هایی مانند موج‌ها، سطوح دوپینگ و اندازه دامنه، و همچنین کنترل تعداد و جهت‌گیری کریستالوگرافی نسبی لایه‌های گرافن در حال انجام است.

برنامه های کاربردی

هدایت تحقیقات گرافن به سمت کاربردهای صنعتی نیازمند تلاش های هماهنگ است، مانند پروژه میلیارد یورویی اتحادیه اروپا Graphene Flagship. پس از اولین مرحله که چندین سال به طول انجامید، محققان پرچم‌دار نقشه راه کاربردهای گرافن تصفیه‌شده را تولید کردند که امیدوارکننده‌ترین حوزه‌های کاربردی را مشخص می‌کند: کامپوزیت‌ها، انرژی، مخابرات، الکترونیک، حسگرها و تصویربرداری، و فناوری‌های زیست پزشکی.

توانایی ایجاد ابرخازن از گرافن احتمالاً بزرگترین گام در مهندسی الکترونیک در مدت زمان طولانی خواهد بود. در حالی که توسعه قطعات الکترونیکی در 20 سال گذشته با سرعت بسیار بالایی در حال پیشرفت بوده است، راه حل های ذخیره انرژی مانند باتری ها و خازن ها به دلیل اندازه، ظرفیت توان و کارایی عامل محدود کننده اولیه بوده اند (اکثر انواع باتری ها بسیار ناکارآمد هستند. ، و خازن ها حتی کمتر هستند). برای مثال باتری‌های لیتیوم یونی با یک مبادله بین چگالی انرژی و چگالی توان روبرو هستند.

در آزمایش‌های اولیه انجام‌شده، ابرخازن‌های گرافن لیزری (LSG) چگالی توان قابل مقایسه با باتری‌های لیتیوم یون پرقدرتی را که امروزه استفاده می‌شوند، نشان دادند. نه تنها این، بلکه ابرخازن های LSG نیز بسیار انعطاف پذیر، سبک، سریع شارژ، نازک و همانطور که قبلاً ذکر شد.

“امکانات آنچه که می توانیم با مواد و دانشی که داریم به دست آوریم، کاملاً آشکار شده است”

از گرافن نه تنها برای افزایش ظرفیت و میزان شارژ باتری ها بلکه برای افزایش طول عمر باتری ها نیز استفاده می شود. در حال حاضر، در حالی که موادی مانند لیتیوم قادر به ذخیره مقادیر زیادی انرژی هستند، این مقدار بالقوه در هر بار شارژ یا شارژ مجدد به دلیل سایش الکترود کاهش می یابد. به عنوان مثال، با استفاده از اکسید قلع گرافن به عنوان آند در باتری‌های لیتیوم یون، باتری‌ها بین شارژها بسیار طولانی‌تر دوام می‌آورند (ظرفیت بالقوه 10 برابر افزایش یافته است)، و تقریباً بدون کاهش ظرفیت ذخیره‌سازی بین شارژ، به طور موثر فناوری‌هایی مانند برق رسانی الکترونیکی را ایجاد می‌کند. وسایل نقلیه یک راه حل حمل و نقل بسیار مفیدتر در آینده است.

این بدان معناست که باتری‌ها (یا خازن‌ها) را می‌توان برای عمر طولانی‌تر و با ظرفیت‌های بالاتر از آنچه قبلاً تصور می‌شد، توسعه داد. همچنین، به این معنی است که دستگاه های الکترونیکی ممکن است در عرض چند ثانیه شارژ شوند، نه چند دقیقه یا چند ساعت و طول عمر را به شدت بهبود بخشند.

محققان شرکت Graphene Flagship همچنین به دنبال راه‌هایی هستند که از گرافن می‌توان برای بهبود تولید انرژی استفاده کرد، از جمله بهبود سلول‌های خورشیدی پروسکایت (PSC) که منابع انرژی خورشیدی نسل بعدی بسیار امیدوارکننده با راندمان بسیار بالا است. محققان شاخص پیشرفت بسیار خوبی در بهبود طول عمر و عملکرد PSCها داشتند و در عین حال هزینه تولید PSCها را کاهش دادند. افزودن لایه فاصله‌دهنده اکسید گرافن کاهش‌یافته به یک PSC منجر به تولید کم‌هزینه PSC با بازده ۲۰ درصدی شد که پس از ۱۰۰۰ ساعت کار تا ۹۵ درصد حفظ می‌شوند. یک خط تولید آزمایشی و یک مزرعه خورشیدی گرافن پروسکایت 1 کیلوواتی برای دوره بعدی در خط لوله قرار دارد.

استفاده از گرافن در ذخیره سازی انرژی بیشتر از طریق استفاده از گرافن در الکترودهای پیشرفته مورد تحقیق قرار گرفته است. ترکیب گرافن و نانوذرات سیلیکون منجر به آندهایی شد که 92 درصد ظرفیت انرژی خود را در 300 چرخه شارژ-تخلیه با حداکثر ظرفیت بالای 1500 میلی آمپر ساعت در هر گرم سیلیکون حفظ کردند. مقادیر چگالی انرژی به دست آمده بسیار بالاتر از 400 Wh/kg است.

در فاز بعدی پرچمدار، یک پروژه Spearhead بر تولید پیش صنعتی باتری لیتیوم یونی مبتنی بر سیلیکون گرافن تمرکز خواهد کرد. علاوه بر این، یک ابزار رسوب افشانی برای گرافن ایجاد شد که امکان تولید در مقیاس بزرگ لایه‌های نازک گرافن را فراهم کرد که برای مثال برای تولید ابرخازن‌هایی با چگالی توان بسیار بالا استفاده می‌شد.

یکی دیگر از کاربردهای گرافن در امتداد خطوطی مشابه موارد ذکر شده در قبل، استفاده در رنگ است. گرافن بسیار بی اثر است و بنابراین می تواند به عنوان یک مانع خوردگی بین اکسیژن و انتشار آب عمل کند. این می تواند به این معنی باشد که وسایل نقلیه آینده می توانند مقاوم در برابر خوردگی باشند زیرا گرافن را می توان برای رشد روی هر سطح فلزی (با توجه به شرایط مناسب) ساخت. به دلیل استحکام، گرافن نیز در حال حاضر به عنوان جایگزینی بالقوه برای کولار در لباس‌های محافظ در حال توسعه است و در نهایت در ساخت وسایل نقلیه دیده می‌شود و احتمالاً حتی به عنوان یک مصالح ساختمانی استفاده می‌شود.

گرافن مدتهاست که به عنوان یک ماده کانال کاندید ایده آل برای الکترونیک انعطاف پذیر فرکانس رادیویی (RF) در نظر گرفته شده است. کاربردهای فرکانس رادیویی و حتی تراهرتز به طور مداوم به جلو کشیده می‌شوند، با یک گیرنده مایکروویو برای سیگنال‌های تا فرکانس ۲.۴۵ گیگاهرتز، یک آشکارساز THz انعطاف‌پذیر، و نمایشی از خنک‌سازی کارآمد دستگاه‌های نانوالکترونیک مبتنی بر گرافن با استفاده از خنک‌کننده فونون هایپربولیک.

ماهیت منعطف گرافن اجازه می دهد تا دستگاه های الکترونیکی مختلف بر روی بسترهای انعطاف پذیر مانند ابرخازن های منعطف مبتنی بر گرافن کاملاً جامد، پانل های لمسی پوشیدنی، سنسورهای فشار و سنسورهای تریبوالکتریک خودکار، که همگی اخیراً با کاربردها نشان داده شده اند، امکان پذیر باشد. مانند دستگاه های لمسی ثابت و قوی مانند دستگاه های تلفن همراه و ساعت های مچی که از نزدیک در افق هستند.

فراتر از این کاربردهای کوتاه مدت، می توان انتظار تلویزیون ها و تلفن های تاشو و در نهایت روزنامه های انعطاف پذیر الکترونیکی حاوی نشریات مورد علاقه را داشت که می توانند از طریق انتقال داده های بی سیم به روز شوند. گرافن از آنجایی که بسیار شفاف است، انتظار می‌رود جزئی از پنجره‌های هوشمند (و بسیار بادوام) در خانه‌ها با پرده‌های مجازی (بالقوه) یا قابلیت نمایش محتوا باشد.

ارتباطات نوری ستون فقرات عصر اینترنت را تشکیل می دهد و انتظار می رود که برای شبکه های در حال توسعه 5G به همان اندازه محوری باشد. ارتباطات مدرن متکی به پیوندهای نوری است که اطلاعات را با سرعت نور می فرستد و بر مدارهایی مانند آشکارسازهای نوری و تعدیل کننده هایی که قادر به رمزگذاری اطلاعات زیادی بر روی این پرتوهای نور هستند. اگرچه سیلیکون ماده انتخابی برای موجبرهای فوتونیک روی تراشه های نوری است، آشکارسازهای نوری از نیمه هادی های دیگری مانند GaAs، InP یا GaN ساخته می شوند، زیرا سیلیکون در طول موج های استاندارد مخابراتی شفاف است.

ادغام این نیمه هادی های دیگر با سیلیکون دشوار است و فرآیندهای ساخت را پیچیده می کند و هزینه ها را افزایش می دهد. همچنین، مدیریت حرارتی در حال تبدیل شدن به یک مشکل است زیرا دستگاه های فوتونیک در حالی که از توان بیشتری استفاده می کنند، منقبض می شوند.

گرافن یک ماده امیدوارکننده برای آشکارسازهای نوری مخابراتی است، زیرا

نور را در پهنای باند بزرگ، از جمله طول موج های استاندارد مخابراتی، جذب می کند. همچنین با فناوری CMOS سازگار است، به این معنی که می توان آن را از نظر فناوری با فوتونیک سیلیکون ادغام کرد. علاوه بر این، گرافن یک رسانای حرارتی عالی است که نویدبخش کاهش مصرف گرما در دستگاه‌های فوتونیک مبتنی بر گرافن است. به این دلایل، گرافن برای ارتباطات نوری یک زمینه تحقیقاتی فشرده بوده است که اکنون در نمونه های اولیه کار کامل به ثمر نشسته است.

در سال 2016، پهنای باند آشکارسازهای نوری گرافن با استفاده از اتصالات گرافن/سیلیکون pn با نرخ بیت بالقوه 90 گیگابیت s-1 به 65 گیگاهرتز رسید. قبلاً در سال 2017، آشکارسازهای نوری گرافن با پهنای باند بیش از 75 گیگاهرتز در خط فرآیند ویفر 6 اینچی ساخته شدند. این دستگاه‌های رکوردشکنی در کنگره جهانی موبایل در بارسلون در سال 2018 به نمایش گذاشته شدند، جایی که بازدیدکنندگان می‌توانستند اولین پیوند ارتباطی نوری تمام گرافنی جهان را تجربه کنند که با نرخ داده 25 گیگابیت بر ثانیه در هر کانال کار می‌کند. در این نمایش، تمام عملیات الکترواپتیک فعال بر روی دستگاه های گرافنی انجام شد.

یک مدولاتور گرافن داده ها را در سمت فرستنده شبکه پردازش می کند و یک جریان داده الکترونیکی را به یک سیگنال نوری رمزگذاری می کند. در سمت گیرنده، یک آشکارساز نوری گرافن برعکس عمل کرد و مدولاسیون نوری را به یک سیگنال الکترونیکی تبدیل کرد. این دستگاه ها با گرافن Graphenea CVD ساخته شده و در غرفه Graphene به نمایش گذاشته شده است.

گرافن تولید شده با رسوب بخار شیمیایی (CVD) سنگ بنای سنسورهای شیمیایی، بیولوژیکی و دیگر مبتنی بر گرافن آینده را تشکیل خواهد داد. ماهیت دوبعدی مواد مزایای ذاتی را برای کاربردهای حسگر فراهم می کند، زیرا کل حجم ماده به عنوان یک سطح حسگر عمل می کند. علاوه بر این، گرافن استحکام مکانیکی عالی، هدایت حرارتی و الکتریکی، فشردگی و بالقوه کم هزینه را ارائه می‌کند که برای رقابت در بازار شلوغ سنسور ضروری است.

حسگرهای گاز/بخار مبتنی بر گرافن در سال‌های اخیر به دلیل ساختارهای متنوع، عملکرد حسگر منحصربه‌فرد، شرایط کاری دمای اتاق و چشم‌اندازهای کاربردی فوق‌العاده، توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند. به غیر از بخار آب، گرافن برای حس گازهایی مانند NH3، NO2، H2، CO، SO2، H2S و همچنین بخار ترکیبات آلی فرار استفاده شده است که منجر به افزایش چشمگیر تعداد انتشارات علمی در این زمینه شده است. همچنین از گرافن برای شناسایی آثاری از مواد افیونی در غلظت های کمتر از 10 پیکوگرم در میلی لیتر مایع استفاده شده است.

این انبوهی از خواص مطلوب منجر به طیف گسترده ای از تحقیقات در مورد استفاده از گرافن برای سنجش زیستی شده است. پیکربندی‌های جالب توجه ترانزیستورهای اثر میدان گرافن (GFET) و تشدید پلاسمون سطحی افزایش‌یافته گرافن (SPR) هستند. این نوع از حسگرهای گرافن برای تشخیص DNA، پروتئین، گلوکز و باکتری ها استفاده شده است. با استفاده از GFET، حسگرهای زیستی با حد تشخیص pg/mL 10 برای مولکول های مواد افیونی تولید شد.

گرافن همچنین یک فناوری توانمند برای حسگرهای میدان مغناطیسی جدید و انعطاف پذیر است. بازار سنسورهای میدان مغناطیسی در حال گسترش است و اندازه آن تا 4.16 میلیارد دلار در سال 2022 تخمین زده می شود. اهداف چندگانه حسگرهای میدان مغناطیسی مانند تشخیص موقعیت، نظارت جریان، تشخیص سرعت، و سنجش زاویه ای امکان دسترسی به طیف وسیعی از صنایعی مانند خودروسازی، لوازم الکترونیکی مصرفی، مراقبت های بهداشتی و دفاعی. رایج‌ترین نوع سنسور مغناطیسی از اثر هال استفاده می‌کند، یعنی تولید اختلاف پتانسیل در یک هادی الکتریکی هنگام اعمال میدان مغناطیسی.

عامل کلیدی برای تعیین حساسیت حسگرهای اثر هال، تحرک بالای الکترون است. به این ترتیب، گرافن یک ماده بسیار جالب برای این کاربرد است، با تحرک اندازه گیری شده حامل بیش از 200000 سانتی متر مربع V-1 s-1. حسگرهای گرافن هال با حساسیت مرتبط با جریان تا 5700 V/AT و حساسیت مرتبط با ولتاژ تا 3 V/VT در گرافن محصور شده در نیترید بور نشان داده شدند.

چنین عملکردی از سنسورهای سیلیکونی پیشرفته و III/V هال با وضوح مغناطیسی تا 50 nT/√Hz پیشی می گیرد. حد عملی فعلی برای حساسیت دستگاه های گرافن هال در ویفرهای استاندارد صنعتی حدود ~3000 V/AT است. برای مقایسه، حسگرهای پیشرفته هال از مواد سنتی سازگار با CMOS دارای حساسیت حدود 100 V/AT هستند. حتی حسگرهای هال گرافن انعطاف‌پذیر که بر روی نوار کاپتون تولید می‌شوند، به حساسیت‌هایی مشابه حسگرهای هال سیلیکونی سفت و سخت می‌رسند.

با ترکیب برخی از این کاربردهای بالقوه فوق، می توان کاربردهای رویایی مانند سیستم های امنیتی خودرو را تصور کرد که به رنگ روی خودرو متصل می شوند – نه تنها یک دزدگیر خودرو می تواند تشخیص دهد که کسی در حال لمس وسیله نقلیه است، بلکه می تواند آن اطلاعات را ضبط کرده و به صورت بلادرنگ به گوشی هوشمند مالک ارسال کنید. چنین “رنگ هوشمند” همچنین می تواند برای تجزیه و تحلیل تصادفات وسایل نقلیه برای تعیین تکه های تماس اولیه و پراکندگی انرژی ناشی از آن استفاده شود.