基于二维铁磁材料的极弱磁霍尔传感器、制备方法及应用
本发明属于磁传感器的，特别是涉及基于二维铁磁材料的极弱磁霍尔传感器、制备方法及应用。
背景技术：
1、磁探测器是一种用于检测磁场的仪器，在国防、农业、海洋、资源勘探、气象、医疗、科学研究等领域具有广泛的应用。磁探测器有多种类型，包括霍尔传感器、磁电阻传感器和磁电容传感器。其中基于霍尔效应的霍尔传感器是检测磁场的最常用的传感器之一，霍尔效应是指在电导体中通过一定方向的电流时，会在与电流垂直的方向上产生电场。这个电场的方向与磁场方向垂直，其大小与磁场的强度成正比。当磁场的方向或强度发生变化时，电场的大小也会随之变化，从而产生电压信号输出。利用这些电信号可以精确地测量磁场的方向和强度。目前最常用的商用霍尔传感器是基于半导体材料中正常霍尔效应发展的霍尔磁强计，具有功耗低，可靠性高，体积小等优势。然而，传统半导体中的正常霍尔效应对磁场呈线性响应，在弱磁环境下探测精度严重受限。现在有些铁磁材料的反常霍尔电阻也可以做到几十或几百ω，从而达到一个比较大的磁响应。比如cr-doped bi2te3，mgo/cofeb/x/ta/mgo，sio2/fe-pt/sio2等薄膜体系磁响应灵敏度分别可以达到2620ω/t，6837ω/t，12000ω/t，但是它们的饱和磁场只有几十甚至几oe,这导致基于这些材料的器件只能探测极小的磁场范围。
技术实现思路
1、本发明的目的在于克服了现有的材料问题，提供了一种对pt级微弱磁场具有敏感响应，且探测磁场范围可以达到1t的弱磁探测器及制备方法。
2、为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
3、基于二维铁磁材料的极弱磁霍尔传感器，包括单面抛光的srtio3衬底，srtio3衬底为矩形的板体结构；
4、srtio3衬底的抛光面分布有单个hall bar或多个hall bar，hall bar对应srtio3衬底沿x轴和y轴为阵列分布，其中hall bar是在薄膜生长后使用光刻技术制成，成型hallbar沿z轴取向；
5、单个hall bar包括m个周期的交替生长的单层srruo3薄膜和n层srtio3薄膜。
6、进一步地，单个周期对应srruo3薄膜和n层srtio3薄膜生长取向为z轴取向，单个周期由厚度为1个单胞层的srruo3薄膜和n个单胞层的srtio3薄膜组成。n层srtio3薄膜对应的n取1～5；hall bar为纳米级别大小。
7、基于二维铁磁材料的极弱磁霍尔传感器的制备方法，包括以下几个步骤，
8、(1)srtio3衬底清洗：将srtio3衬底先后置于丙酮和无水乙醇中超声清洗，去除表面的杂质；杂质包括有机杂质，用于清洗的丙酮和其他杂质；
9、(2)srtio3衬底刻蚀退火：将清洗过的srtio3衬底在去离子水中超声反应30min左右，然后在boe溶液中刻蚀，再放入去离子水中清洗并用氮气吹干表面吸附的水，将刻蚀后的衬底进行高温退火，得到具有高质量台阶表面的tio2层截止的srtio3衬底；
10、(3)氧化物薄膜外延生长：使用脉冲激光沉积系统或分子束外延系统进行薄膜生长，将步骤(2)处理好的srtio3衬底放入生长腔体中，将氧压、温度等调至所需条件，其中氧压和温度分别为0.1mbar和700℃，在srtio3衬底的抛光面重复外延生长m个周期的1个单胞层的srruo3薄膜和n个单胞层的srtio3薄膜。
11、(4)制作hall bar：将外延薄膜制作为纳米级别大小的hall bar或由hall bar组成的阵列。
12、进一步地，boe溶液为sto刻蚀溶液，配制方案，v(49.9wt％hf溶液):v(40wt％nh4f溶液)＝1:6。步骤(2)中对应的衬底高温退火条件为：将刻蚀后的srtio3衬底放置于马弗炉中，在950℃下进行90min的高温退火。步骤(3)中生长腔体中，氧压和温度分别为0.1mbar和700℃。
13、基于二维铁磁材料的极弱磁霍尔传感器的应用，将hall bar的横向电路和纵向电路分别串联,使用时加纵向电流，测量横向电阻的变化。
14、本发明具有以下有益效果：本发明可以用于未知磁场的探测，使用时将此探测器置于待探测地，加上所需的光场和横向电流并降至所需温度，测量纵向电阻的变化。如图2所示，在特定光场下，本发明的磁探测器灵敏度＞11000ω/t，可探测磁场范围＞±1t。既可以实现对pt磁场响应的灵敏度，又可以探测大磁场范围，这是目前现有磁探测器无法实现的。还可以用于航空航天及国防事业，随着吸波技术的发展，军事物件可以通过覆盖一层吸波材料而达到隐身鲜果，但是无法屏蔽自身产生的磁场，因此可以借用本发明探测到隐蔽的物体。此外在航空航天中，可以用于高性能导航设备。除了上述这些方面，我们的发明在医疗，矿藏探测，环境检测等方面也有巨大的应用潜力。
技术特征：
1.基于二维铁磁材料的极弱磁霍尔传感器，其特征在于：
2.根据权利要求1所述基于二维铁磁材料的极弱磁霍尔传感器，其特征在于：单个周期对应srruo3薄膜和n层srtio3薄膜生长取向为z轴取向，单个周期由厚度为1个单胞层的srruo3薄膜和n个单胞层的srtio3薄膜组成。
3.根据权利要求1或2所述基于二维铁磁材料的极弱磁霍尔传感器，其特征在于：n层srtio3薄膜对应的n取1～5。
4.根据权利要求1所述基于二维铁磁材料的极弱磁霍尔传感器，其特征在于：hall bar为纳米级别大小。
5.基于二维铁磁材料的极弱磁霍尔传感器的制备方法，其特征在于：包括以下几个步骤，
6.根据权利要求5所述基于二维铁磁材料的极弱磁霍尔传感器的制备方法，其特征在于：boe溶液为sto刻蚀溶液，配制方案，v(49.9wt％hf溶液):v(40wt％nh4f溶液)＝1:6。
7.根据权利要求5所述基于二维铁磁材料的极弱磁霍尔传感器的制备方法，其特征在于：步骤(2)中对应的衬底高温退火条件为：将刻蚀后的srtio3衬底放置于马弗炉中，在950℃下进行90min的高温退火。
8.根据权利要求5所述基于二维铁磁材料的极弱磁霍尔传感器的制备方法，其特征在于：步骤(3)中生长腔体中，氧压和温度分别为0.1mbar和700℃。
9.基于二维铁磁材料的极弱磁霍尔传感器的应用，其特征在于：将hall bar的横向电路和纵向电路分别串联,使用时加纵向电流，测量横向电阻的变化。
技术总结
本发明公开了基于二维铁磁材料的极弱磁霍尔传感器、制备方法及应用，包括单面抛光的SrTiO<subgt;3</subgt;衬底，衬底的抛光面分布有单个Hall bar或多个Hall bar，成型Hall bar沿z轴取向，单个Hall bar包括M个周期的交替生长的单层SrRuO<subgt;3</subgt;薄膜和N层SrTiO<subgt;3</subgt;薄膜。可以用于未知磁场的探测，在特定光场下磁探测器灵敏度＞11000Ω/T，可探测磁场范围＞±1T。既可以实现对pT磁场响应的灵敏度，又可以探测大磁场范围。在航空航天中，可以用于高性能导航设备。在医疗，矿藏探测，环境检测等方面也有巨大的应用潜力。
技术研发人员：廖昭亮,邓志雄,洪宇昊
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23