石墨烯基磁阻傳感器的制造方法
【專利摘要】提供一種石墨烯結構。石墨烯結構包括襯底層和設置在襯底層上的至少兩層石墨烯層。該至少兩層石墨烯層包括柵電壓調(diào)諧層和有效石墨烯層，并且有效石墨烯層包括一個或多個石墨烯層。石墨烯結構的磁阻比率由柵電壓調(diào)諧層和有效石墨烯層之間的電荷遷移率和/或載流子密度的差確定。柵電壓調(diào)諧層的電荷遷移率和/或載流子密度可以由施加至石墨烯結構的柵電壓調(diào)諧。還提供一種包括石墨烯結構的磁場傳感器。
【專利說明】
石墨烯基磁阻傳感器
[0001 ]優(yōu)先權
[0002] 本申請要求2013年12月27日遞交的美國專利申請No.61/964,268的優(yōu)先權。
技術領域
[0003] 本發(fā)明大體涉及磁阻傳感器，并且更具體地涉及石墨烯基磁阻傳感器。
【背景技術】
[0004] 在日常生活中，諸如霍爾傳感器和磁阻傳感器的磁性傳感器被廣泛用作冰箱、移 動電話、洗衣機和筆記本電腦等中的速度傳感器、位置傳感器。
[0005] 霍爾電阻在外部磁場下改變的霍爾傳感器通常利用諸如硅、InAs、GaAs和InSb的 半導體?；诠璧幕魻杺鞲衅鬟m用于單片集成電路，但是由于載流子的低迀移率而具有低 的靈敏度，靈敏度被定義為針對單位磁場產(chǎn)生的電壓(mV/mT)?；贗nSb半導體的霍爾傳感 器由于大約40000cm 2/(V · s)的高迀移率而具有高靈敏度，但是這個高迀移率需要昂貴的 微米厚的膜。而且，這些InSb基霍爾傳感器針對單位溫度改變度數(shù)具有不期望的大的電阻 改變，即具有高的電阻溫度系數(shù)。此外，在中等磁場和高磁場中，霍爾傳感器具有相對較高 的靈敏度;然而，在低磁場中靈敏度很低。
[0006] 已完成了對磁阻傳感器的可用性、低能耗、和低成本的研究。磁阻測量在外部磁場 下的材料的電阻的變化。這個重要的技術特征以從磁性硬盤媒體讀取數(shù)據(jù)促成了信息存儲 產(chǎn)業(yè)的成功。包含具有磁阻的材料的讀取頭對低（雜散)磁場極其敏感。磁阻傳感器在低磁 場中具有高靈敏度。然而，磁阻傳感器(特別是各向異性磁阻傳感器)受交叉場誤差的折磨， 并且不適用于檢測大的場。
[0007] 因此，需要的是在低磁場和高磁場中都具有高靈敏度、且具有低電阻溫度系數(shù)和 低成本的磁性傳感器。并且，由于其緊湊性和成本效率，薄膜基傳感器比大塊傳感器更為優(yōu) 選。此外，結合本公開的附圖和【背景技術】，其他預期的特征和特性將從隨后的【具體實施方式】 和所附權利要求變得顯而易見。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 根據(jù)第一方面，提供一種石墨烯結構。該石墨烯結構包括襯底層和設置在襯底層 上的至少兩層石墨烯層。該至少兩層石墨烯層包括柵電壓調(diào)諧層和有效石墨烯層，并且有 效石墨烯層包括一個或多個石墨烯層。石墨烯結構的磁阻比率由柵電壓調(diào)諧層和有效石墨 烯層之間的電荷迀移率和/或載流子密度的差確定。柵電壓調(diào)諧層的電荷迀移率和/或載流 子密度可以由施加至石墨烯結構的柵電壓調(diào)諧。
[0009] 根據(jù)第二方面，提供一種磁場傳感器。該磁場傳感器包括襯底層和設置在襯底層 上的至少兩層石墨烯層。該至少兩層石墨烯層具有制造于其上的電極。該至少兩層石墨烯 層包括柵電壓調(diào)諧層和有效石墨烯層，并且有效石墨烯層包括一個或多個石墨烯層。石墨 烯結構的磁阻比率由柵電壓調(diào)諧層和有效石墨烯層之間的電荷迀移率和/或載流子密度的 差確定。柵電壓調(diào)諧層的電荷迀移率和/或載流子密度可以由通過電極施加至石墨烯結構 的柵電壓調(diào)諧。
【附圖說明】
[0010] 在附圖中，相同的附圖標記表示貫穿分開的圖中的相同的或功能相似的元件，附 圖與以下的詳細描述一同并入說明書并且成為說明書的一部分，附圖用于示出各種實施方 式以及解釋根據(jù)本實施方式的各種原理及優(yōu)點。
[0011] 圖1(a)描述根據(jù)本實施例的具有電極的多層石墨烯基磁阻傳感器的示意圖；圖1 (b)描述根據(jù)本實施例的圖1(a)中的石墨烯基磁阻傳感器所包括的石墨烯結構的分解圖。
[0012] 圖2描述根據(jù)本實施例的圖1中的石墨烯基磁阻傳感器在不同載流子密度η和電荷 迀移率μ的情況下作為外部磁場的函數(shù)的磁阻行為的理論模擬圖。
[0013] 圖3(a)描述在氮化硼和Si02襯底上制造的4層石墨烯傳感器的光學顯微圖；圖3 (b)描述具有氮化硼襯底的傳感器的源電壓(Vds)在從-25V至25V的柵電壓(VQ)下作為漏源 電流（Ids)的函數(shù)的圖；圖3(c)描述具有氮化硼襯底的傳感器在400K的溫度下且在無磁場 和在9T的垂直外部磁場下作為背柵電壓的函數(shù)的電阻圖。
[0014] 圖4描述Si02襯底上的（a)5層石墨烯樣品和（b)5至6層石墨烯樣品在從1.9K至 300K的溫度下作為外部磁場(H)的函數(shù)的磁阻圖。
[0015]圖5(a)描述氮化硼襯底上的4層石墨烯結構樣品在400K的溫度下、在從-25V至25V 的柵電壓下作為外部磁場的函數(shù)的磁阻圖；圖5(b)描述硅/Si02襯底上的4層石墨烯樣品在 400K的溫度下、在從-25V至25V的柵電壓下作為外部磁場的函數(shù)的磁阻圖；圖5(c)描述霍爾 電阻率(p xy)在400K的溫度下、在從-25V至25V的柵電壓下的垂直外部磁場的函數(shù)的圖。
[0016] 圖6(a)描述10層CVD石墨烯樣品在300K的溫度下作為頂柵電壓的函數(shù)的電阻圖； 圖6(b)描述在140K的溫度下、在從-1.6V至2.0V的頂柵電壓下作為外部磁場的函數(shù)的磁阻 圖；圖6(c)描述在300K的溫度下、在從-60V至100V的背柵電壓下作為外部磁場的函數(shù)的磁 阻圖。
[0017] 圖7(a)描述氮化硼襯底上的5-6層石墨烯樣品在2K、300K和400K的溫度下作為外 部磁場的函數(shù)的磁阻圖；圖7(b)描述在2Κ、300Κ和400Κ的溫度下作為從平面外（θ = 〇°)至平 面內(nèi)（θ = 90°)經(jīng)過360°的外部磁場的角度的函數(shù)的電阻率圖；圖7(c)描述在從50Κ至400Κ 的溫度下由非局部測量獲得的作為外部磁場的函數(shù)的磁阻圖。
[0018] 技術人員將領會的是附圖中的元件被簡化和清晰的示出，并且沒有必要按比例描 述。例如，示意圖中的一些元件的尺寸可以關于其他元件放大，以助于提高對本實施例的理 解。
【具體實施方式】
[0019] 以下【具體實施方式】實質上僅是示例性的，并且不旨在限制本發(fā)明或本發(fā)明的應用 和使用。此外，并不旨在受到之前的本發(fā)明【背景技術】或下面的【具體實施方式】中出現(xiàn)的任何 理論的約束。本實施例旨在呈現(xiàn)新穎的多層石墨烯基磁阻傳感器。該多層石墨烯基磁阻傳 感器在低磁場中和高磁場中均提供高靈敏度。此外，該多層石墨烯基磁阻傳感器幾乎與溫 度無關，并且因此在通常400Κ的工作溫度下不需要溫度漂移校正電路。最后，本多層石墨烯 基磁阻傳感器示出在不同的柵電壓下的可調(diào)磁阻。多層石墨烯結構還旨在包括于優(yōu)選這些 特性的設備中。
[0020] 參見圖1(a)，根據(jù)本實施例描述多層石墨烯基磁阻傳感器100。石墨烯由以蜂巢形 布置的單層碳原子組成。多層石墨烯是以六角形周期晶格布置的單層碳原子的疊層?？梢?理解的是，在本實施例中，使用多層石墨烯;然而，在一些其他實施例中，可以使用單層或多 層石墨烯氧化物、單層或多層石墨烯復合物或者單層或多層石墨烯衍生物。多層石墨烯基 磁阻傳感器100包括在基底層106和電極110上的石墨烯結構120?；讓?06可以是重摻雜 硅。基底層106可以是柔性片。石墨烯結構120的分解圖被示出在圖（l)(b)中。石墨烯結構 120包括襯底129上的四個石墨烯層122、124、126和128?？梢岳斫獾氖?，雖然這里示出了四 個石墨烯層，但是可以使用不同數(shù)目的石墨烯層，例如3層、5層或6層。襯底129可以包括硅/ 二氧化硅襯底、或氮化硼襯底等。包括112、114、116和118的電極110被平行放置在石墨烯結 構120頂上、并且與頂部石墨烯層接觸，以使石墨烯結構位于電極110和襯底129之間?？梢?通過將兩個電極連接至電壓并且將其他兩個電極連接至電流進行測量。例如，最遠的兩個 電極112和118可以連接至電流，并且電極114和116可以連接至電壓。此外，最近的兩個電極 112和114可以連接至電流，并且電極116和118可以連接至電壓，這被稱為非局部測量。電極 可以包括Cr和/或Au。
[0021] 多層石墨稀可以通過從凝析石墨(Kish graphite)剝落多層石墨稀制備或者通過 化學氣相沉積(CVD)技術制備。隨著CVD技術的發(fā)展，大面積的多層石墨烯樣品可以被輕易 地制備，這使得本磁阻傳感器工業(yè)上可行。
[0022]在存在外部磁場和電場的情況下，多層石墨烯基磁阻傳感器的傳輸行為已經(jīng)被理 論認知。在此理論認知中，石墨烯結構被假定為包括兩個石墨烯層，并且每個層均具有三維 (3D)載流子密度η1=1, 2以及電荷迀移率μ1=1,2。這兩個石墨烯層被認知為是二維(2D)膜。假定 用于電傳導的Drude模型適用于此處，在不存在磁場的情況下，石墨烯結構的電導率(〇)通 過下式給出：
[0023] 〇D，i = emyi (1)
[0024] 在存在沿著垂直于膜平面的z軸的磁場B和沿著膜平面中的X軸的電場E的情況下， 薄膜的3D電流密度(J)由下式給出：
[0025]
(2)
[0026] 其tI電導率張量。
LA ,·_ ,ν\,; ν·ν·ν" 一[0027] 在Drude模型中，可以推導出：
[0028] ( 3 )
[0029] ( 4 )
[0030] 如果兩層石墨烯層被放在一起，則因為兩層石墨烯層在相同的電場下，所以流過 石墨烯結構的總電流將為：
[0031]
(. 5 )
[0032] 也就是說，2層石墨烯結構的總電導率是：
[0033] σ = σ1+σ2 (6)這可以與兩個并聯(lián)電阻的情況相比，只不過此處是兩個張量之和， 而不是兩個標量之和。電阻率張量通過對電導率張量求逆而獲得:Ρ = 并且給出：
[0034]
[0035]
[0036] 將方程(3)、方程(4)和方程(6)帶入方程(7)和方程(8)，樣品的電阻率通過下式給 出：
[0037]
[0038]
[0039]考慮兩種情況。在第一種情況中，磁場Β被設置為零，即，不存在磁場。以下電阻率 從方程(9)和(10)給出：
[0040]
(11)
[0041] pxy = U Uz：；
[0042] 注意在這種情況下，如果第一層的電導率(〇1)比第二層的電導率(〇2)大很多，即 ?%內(nèi)>>%內(nèi)則從方程(11)獲得ρ χχ,〇=1/(βηιμι)。這表示2層石墨烯結構的電阻率由第 一層的電荷迀移率(μ〇和載流子密度(m)確定，第一層是導電性最強的層。
[0043] 在第二種情況中，磁場B被設置為比第一層的電荷迀移率(μ〇和第二層的電荷迀 移率(μ2)大很多。以下的電阻率從方程(9)和（10)給出，
[0044]
[0045]
[0046] 如果兩層使得Π 2μι>>ηιμ2，則方程（11)變?yōu)椋?br>[0047]
[0048] 方程（15)表示2層石墨烯結構的電阻率由第二層的電荷迀移率(μ2)確定，第二層 是導電性最差的層。
[0049] 總之，在不施加磁場的情況下，2層石墨烯結構的電阻率由導電性最強的層的電荷 迀移率確定，而在施加相對大的磁場的情況下，2層石墨稀結構的電阻率由導電性最差的層 的電荷迀移率確定。包括超過兩層的石墨烯結構可以被視作兩個有效層，其中在背柵結構 中的底部（即，具有可調(diào)電荷迀移率)的層為第一層，并且其他層作為整體被視作第二層。這 使得多于兩層的石墨烯結構成為2層的有效疊層。因此，理論認知將同樣適用于那些多于2 層的石墨烯結構。
[0050] 最大磁阻可以通過下式獲得：
[0051 ]
( 1.6 )
[0052] 在μι?μζ的情況下，磁阻由下式給出：
[0053]
(17)
[0054] 方程（13)表示通過調(diào)節(jié)第一層的電荷迀移率與第二層的電荷迀移率之間的差，磁 阻能夠是任意大的。
[0055] 現(xiàn)在參見圖2,兩層石墨烯結構的電阻率的模擬結果使用電荷迀移率和載流子密 度的不同參數(shù)描述。圖2(a)和圖2(b)示出了一旦施加磁場，電阻率就從零增大至最大值。在 圖2(a)中，以下參數(shù)被使用：ηι = 1 X 10ncm-2、η2=1 X 101()cm-2、μι = 1 X 104cm2/(V · s)、μ2 = 1 X103cm2/(V · s)，并且如圖220可見，最大電阻率超過10kQ。在圖2(a)中，以下參數(shù)被使用： ηι = 1 X 10ncm-2、n2 = 1 X 1010cm-2、μι = 5 X 104cm2/(V · s)、μ2 = 1 X 103cm2/(V · s)，并且如圖 240可見，最大電阻率超過6kΩ。
[0056] 圖2(c)示出了隨著磁場從零增大至大約1Τ，電阻率從零增至最大值；而圖2(d)示 出了隨著磁場從零增大至大約0.001Τ，電阻率從零增至最大值。這提供了低磁場下的高靈 敏度。在圖2(c)中，以下參數(shù)被使用:m = l X 1012cm-2、η2 = 1 X 1011cm-2、μι = 1 X 104cm2/(V · s)、y2=lcm2/(V · s)，并且如圖260可見，最大電阻率超過100kQ。第一層的電荷迀移率(μ〇 是第二層的電荷迀移率(μ2)的大約1〇 4倍?？梢酝ㄟ^用于圖2(c)的參數(shù)獲得高達8.6Χ104% 的磁阻。在圖2(d)中，以下參數(shù)被使用：ηι = 1.1 X 10ncm-2、η2 = 1 X 10ncm-2、μι = 1.4 X 105cm2/(V · s)、y2 = 3X103cm2/(V · s)，并且如圖280可見，最大電阻率超過4kQ。第一層的 電荷迀移率(μι)是第二層的電荷迀移率(μ 2)的大約470倍?？梢酝ㄟ^用于圖2(d)的參數(shù)獲得 高達1000%的磁阻?？梢钥闯觯┙Y構的磁阻由多層石墨烯層的電荷迀移率的差確定， 并且因此可以通過改變多層石墨烯的電荷迀移率的差而操縱石墨烯結構的磁阻。
[0057] 即使在低磁場下，也可以由于電阻率突然改變而獲得大磁阻。從圖2示出的結果可 以推論出第一層相對于第二層的較大迀移率或較低載流子密度對于在低磁場下獲得高磁 場靈敏度是必不可少的，其中第一層的電荷迀移率和載流子密度在柵電壓下可調(diào)。電荷迀 移率可以通過使用更干凈或更平坦的減小帶電雜質的擴散的襯底來提高，例如氮化硼襯 底。載流子密度可以通過調(diào)諧施加至石墨烯結構的柵電壓來調(diào)節(jié)。特別地，在柵電壓處于存 在相等數(shù)目的電子和空穴的電荷中性點(CNP)時，石墨烯結構的載流子密度處于其最小值。 根據(jù)石墨烯結構的特性，在CNP處載流子密度的數(shù)量級是~10 1<3-10nCnr2。可從Drude電導率 模型計算電荷迀移率。在CNP處電荷迀移率是最高的，并且電荷迀移率在CNP的兩側上降低。 在其CNP處，石墨烯結構的電荷迀移率能夠高于10,000cm2/(V · s)。根據(jù)上面討論的理論預 測，在柵電壓接近CNP時，磁阻的大小以及磁場的檢測限應當增大。
[0058] 參見圖3(a)，示出了制造的多層石墨烯磁阻傳感器的光學顯微圖320。傳感器通過 兩步機械力轉移工藝制備，并且具有4層石墨烯層。傳感器包括兩個石墨烯結構302和304。 灰區(qū)302是具有氮化硼襯底的石墨烯結構，而暗區(qū)304是具有硅/氧化硅襯底的石墨烯結構。 包括四個部分的亮區(qū)312是用于具有氮化硼襯底的石墨烯結構的Cr/Au電極。包括四個部分 的亮區(qū)314是用于具有硅/氧化硅襯底的石墨烯結構的Cr/Au電極。此處的石墨烯結構包括4 個層。
[0059] 具有氮化硼襯底的4層石墨烯結構和電極之間的接觸通過測量源電壓與源-漏電 流來測試。結果被示出為圖3 (b)中的圖340。在400K的溫度下，針對從-25V至25V的全部柵電 壓，可以看出線性關系，這暗示了4層石墨烯結構和電極之間的歐姆接觸。對應于最大電阻 率的最大斜率在石墨烯結構的CNP附近的5-15V的背柵電壓處獲得。CNP是寬的，這可能與多 層石墨稀的不同帶隙結構和多層石墨稀中的費米表面(Fermi surfaces)的熱涂有關。由于 電荷屏蔽效應，當石墨烯的層數(shù)目增加時，電場效應被預期為衰減。在高達6層時，結果顯示 電場效應仍然是顯著的。
[0060] 參見圖3(c)，在400K的溫度下、在與4層石墨烯結構的平面垂直的0T和9T的外部磁 場下，具有氮化硼襯底的4層石墨烯結構的電阻圖360被描述為背柵電壓的函數(shù)。從圖3(c) 可清楚地看到，施加的磁場增加電荷載流子的電阻，這在全部柵電壓下導致正磁阻。雖然在 全部柵電壓下看到了電阻增加，但是由于較低的載流子密度和較大的迀移率，更大的改變 在CNP附近看到，這支持上面討論的理論認知。30kQ的最大電阻率是在9T的磁場下大約5V 的背柵電壓下獲得的。
[0061] 以下描述石墨烯結構的磁阻的溫度依賴性。此處，由透明膠帶技術制備的石墨烯 結構樣品包括Si02襯底上的5層或5-6層的石墨烯層。包括石墨烯結構的磁阻傳感器具有通 常20Χ5μπι 2的樣品尺寸。電阻使用具有Cr(5nm)/Au(80nm)接觸的線性四探針幾何圖形測 量。參見圖4(a)，5層石墨烯結構樣品的磁阻圖420在從1.9K至300K的溫度下被描述為外部 磁場(H)的函數(shù)。未施加柵電壓并且電流為30μA。要注意的是，磁阻與電流無關?？梢钥闯?， 在2T至8T范圍的磁場下，較低溫度下的磁阻略大于較高溫度下的磁阻。然而，關于不同溫度 的磁阻的差不顯著，并且5層石墨烯結構的磁阻溫度依賴性較弱。在幾乎所有溫度下，包括 在300K的室溫下，500%的巨磁阻在9T的磁場下獲得。此巨磁阻將提供磁阻傳感器的高靈敏 度。在圖4(b)中，在從1.9K至300K的溫度下，5至6層石墨稀結構樣品的磁阻圖440被描述為 外部磁場的函數(shù)。不同溫度的磁阻幾乎相互重疊，表示傳感器的溫度獨立特性。此溫度獨立 性轉而將提供很小的電阻溫度系數(shù)(TCR)值。TCR是確定傳感器的實際使用的重要參數(shù)，因 為大的TCR暗示針對給定溫度差的大的電阻漂移，并且因此暗示額外地需要用于溫度校正 的電路。因此，不需要用于本磁阻傳感器的電路。在幾乎所有溫度下，包括在300K的室溫下， 1000%的巨磁阻在9T的磁場下獲得?？梢岳斫獾氖牵诒緦嵤├?，石墨烯結構具有Si02襯 底;然而，在一些其他實施例中，石墨烯結構可以具有另一種類型的襯底，例如氮化硼。將在 以下結合圖7(a)看出，具有氮化硼襯底的4層石墨烯結構的磁阻針對從300K至400K范圍的 溫度提供小的TCR。
[0062]現(xiàn)在，將結合圖5描述在400K的溫度下石墨烯結構的磁阻特性。400K是用于磁阻傳 感器的通常工作溫度，并且在此溫度下的石墨烯基磁阻傳感器還未公開。參見圖5(a)，在氮 化硼襯底上具有4個石墨烯層的石墨烯結構樣品的磁阻圖520在從-25V至25V的柵電壓(VG) 下被描述為外部磁場的函數(shù)。清楚的是，在全部磁場下，最大磁阻在柵電壓在CNP附近時獲 得。大約880%的最大磁阻在9T的磁場下獲得。在CNP處，低磁場下的磁阻圖是拋物線/二次 方程;然而，磁阻圖在高磁場下是線性的、沒有飽和的跡象。隨著柵電壓被調(diào)諧出CNP，磁阻 在CNP的任一側上降低。這提供了關于柵電壓的可調(diào)磁阻。在Vg = -25V處，9T磁場下的磁阻 為~130%。磁阻相對于磁場的特性類似于CNP附近的特性，磁阻示出在較高磁場下的飽和 行為。因此，即使在-25V的柵電壓下施加較高磁場，磁阻也不能進一步增大。
[0063]參見圖5(b)，在Si〇2襯底上具有4個石墨稀層的石墨稀結構樣品的磁阻圖540在 400K的溫度下、在從-25V至25V的柵電壓(VG)下被描述為外部磁場的函數(shù)。清楚的是，具有 Si02襯底的石墨烯結構的磁阻比具有如圖5(a)所示的氮化硼襯底的石墨烯結構的磁阻小 很多。這可能是由于具有Si0 2襯底的石墨烯結構的迀移率的降低。氮化硼襯底的使用通過 減少襯底中的帶電雜質而提高迀移率。然而，具有Si0 2襯底的石墨烯結構的磁阻具有與如 圖5(a)所示的具有氮化硼襯底的石墨烯結構的磁阻類似的趨勢。這暗示了多層石墨烯的固 有特性負責磁阻的特性。CNP是電阻率或電阻與柵電壓的圖中的最大點。在這種情況下，CNP 輕微移動至比氮化硼上的石墨烯更高的柵電壓，這清楚的指出由于電荷不均勻的差導致的 貼附至襯底的石墨烯的表面的不同反應。在任何情況下，柵電壓可調(diào)諧磁阻。
[0064] 參見圖5(c)，霍爾電阻率(pxy)的圖560在400K的溫度下、在從-25V至25V的柵電壓 下被描述為外部磁場的函數(shù)。在這種情況下，磁場被垂直于石墨烯層平面施加。因為磁場垂 直于石墨烯結構的平面，所以由任何幾何效應產(chǎn)生的MR貢獻從測量的霍爾電阻率移除?；?爾電阻率在不同柵電壓下示出非線性行為暗示來自具有不同電荷迀移率和載流子密度的 不同石墨烯層的貢獻。此貢獻也可以從兩個有效層考慮，一個層是柵電壓調(diào)諧層，而另一個 有效層是作為整體的其他層。本領域技術人員將意識到雖然柵電壓調(diào)諧層通常是兩個或多 個石墨烯層的底層;其也能夠是兩個或多個石墨烯層的頂層。在CNP上方的柵電壓下，電阻 率曲線示出負斜率，暗示了多數(shù)載流子是電子。在CNP以下的柵電壓下，從正斜率證明了多 數(shù)載流子是空穴。在CNP處，在全部磁場下，電阻率基本為零。
[0065] 參見圖6(a)，通過CVD制備的10層石墨烯結構樣品的電阻圖620在300K的溫度下被 描述為頂柵電壓的函數(shù)。在這個測量期間，未施加磁場。除了在頂部上的四個電極之外，磁 阻傳感器被制造為具有一個頂柵電極和一個底柵電極的頂柵和底柵。底柵通過將10層石墨 烯結構設置在Si0 2(300nm)/Si(重摻雜)襯底之上而制成，并且用銀膏連接重摻雜Si襯底。 頂柵通過使用與頂柵電極接觸的液體電解質制成。因為液體電解質在結構上接近于石墨 烯，所以側電極有效地起頂柵一樣的作用。lnm厚的雙層電容器被形成在石墨烯層和液體電 解質之間，引入大電容(單位面積電容C = ke〇/d，其中k是介電常數(shù)，并且d是石墨烯層和液 體電解質之間的厚度）。由于電容器的形成，液體電解質有效地在石墨烯中產(chǎn)生大的載流子 密度。電阻在CNP處示出最大值，并且其示出在CNP的任一側上的急劇下降。電阻率的遲滯現(xiàn) 象是因為電荷在石墨烯層和電極之間的界面處被捕獲。可以看出，此處的遲滯現(xiàn)象比圖3 (c)中的遲滯現(xiàn)象嚴重，這表示在10層CVD樣品中更多電荷在此處被捕獲。載流子密度(η)在 CNP的兩側線性增加。
[0066] 參見圖6(b)，磁阻圖640在140Κ的溫度下、在從-1.6V至2.0V的頂柵電壓下被描述 為外部磁場的函數(shù)。清楚的是，磁阻在CNP附近最大。在300K下，不同頂柵電壓下的磁阻（未 示出）非常類似于其在140K下的磁阻，但是磁阻的大小稍微增加。圖6(c)描述了在300K的溫 度下、在從-60V至100V的背柵電壓下，作為外部磁場的函數(shù)的磁阻的圖660?？梢钥吹脚c頂 柵配置的趨勢類似的趨勢;然而，磁阻的大小稍高，這可能是頂部表面比底部敏感得多的環(huán) 境效應引起的迀移率差導致的結果。要注意的是，在頂柵CVD石墨烯樣品中接近100%的磁 阻值以及在背柵CVD樣品中200%的磁阻值相比如圖5中示出的透明膠帶樣品的磁阻值低很 多。這是由于CVD石墨烯(與其中迀移率高很多的剝離(透明膠帶)石墨烯樣品相比）的低迀 移率。
[0067] 參見圖7(a)，氮化硼襯底上的5-6層石墨烯樣品的磁阻圖720在2K、300K和400K的 溫度下被描述為外部磁場的函數(shù)。此處未施加柵電壓。在400Κ下~2000%的最大磁阻在9Τ 的磁場下獲得。隨著樣品被冷卻至300Κ，磁阻作為磁場的函數(shù)，磁阻基本保持未變。這暗示 樣品在此溫度范圍具有非常小的TCR。出人意料地，在樣品被冷卻至2Κ時，在9Τ磁場下，磁阻 增大至非常大的值~6000%。在低溫下的這種大量增大可以暗示量子效應的出現(xiàn)。
[0068] 參見圖7(b)，電阻率圖740在2Κ、300Κ和400Κ的溫度下被描述為外部磁場的方向角 的函數(shù)。磁阻在相對于樣品平面的不同的磁場方向下測量。在9Τ的恒定磁場下，磁場方向在 完整的360°的循環(huán)中從平面外（Θ = 〇°)改變至平面內(nèi)（Θ = 90°)。由于洛倫茲力，在磁場垂直 于樣品平面（即，在θ = 0°、180°和360° )時，磁阻是最大的。洛倫茲力被定義為 戶' 片），其中q是載流子的電荷，ν是沿著電流方向的平面內(nèi)速度，并且Η是磁場強度。 在磁場垂直于樣品平面時，洛倫茲力最大，這導致石墨烯平面中帶電粒子的偏轉并產(chǎn)生最 大磁阻。在400Κ和300Κ，磁阻遵循與證明洛倫茲力角色的角度成余弦關系，此處的磁阻被稱 為經(jīng)典磁阻。然而，在2Κ的溫度下，磁阻偏離簡單的余弦行為，并且具體而言，磁阻在磁場處 于 θ = 90°和θ = 180°附近時增大。此偏離強烈地指向額外的磁阻貢獻的存在，最可能的是， 磁阻的量子起源。因此，與量子起源相關的磁阻被稱為量子磁阻。在400Κ，只有經(jīng)典磁阻存 在于石墨稀結構中，并且在2Κ，由于偏離最小，所以經(jīng)典磁阻占主導地位。與在300Κ和400Κ 下的5300%的經(jīng)典磁阻相比，從余弦擬合計算得到的2Κ下量子相關磁阻僅僅是~700%。因 此，這可由于磁阻的量而清楚地區(qū)分經(jīng)典磁阻和量子磁阻貢獻。此外，作為石墨烯平面內(nèi)磁 場方向的函數(shù)的磁阻測量示出在石墨烯平面內(nèi)磁場方向的整個范圍中的可以忽略不計的 磁阻，這是因為石墨烯層的厚度非常薄，以致于洛倫茲力對電阻沒有任何影響。這進一步證 實晶格平面與帶電粒子的相互作用產(chǎn)生經(jīng)典洛倫茲力誘導磁阻。
[0069] 參見圖7(c)，磁阻圖在從50Κ至400Κ的溫度下被描述為由非局部測量獲得的外部 磁場的函數(shù)。為了提高石墨烯傳感器的低磁場靈敏度，已經(jīng)實施了電阻的非局部測量。出人 意料地，在50Κ，非局部磁阻非常大，達到~35000%。在8Τ磁場下，在針對實際應用的400Κ 下，非局部磁阻仍然非常大，為~2500 %。在20mT的場范圍中，低磁場下的磁場靈敏度為 0.05mV/mT，這比得上現(xiàn)有設備，然而，由于與InSb基設備中的微米相比，石墨稀材料厚度僅 為幾納米，因此石墨烯可以提供有成本效益的設備。利用大面積化學氣相沉積技術(CVD)的 優(yōu)勢，傳感器可以容易地擴展為滿足市場需求。
[0070]因此，根據(jù)本實施例，提供有利的石墨烯結構和包括該石墨烯結構的磁阻傳感器。 在400K，從氮化硼襯底上的多層石墨烯結構觀察到~2000%的巨磁阻。磁阻可被柵電壓調(diào) 諧。這為傳感器提供了附加功能。在300至400K的溫度范圍中，石墨烯結構具有弱的溫度依 賴性。這解決了現(xiàn)有磁性傳感器中的溫度漂移問題。在2K至400K的溫度范圍中，因為具有非 常小的來自量子效應的貢獻，所以經(jīng)典磁阻占主導。由于提高的迀移率，與Si02襯底上的石 墨烯結構相比，氮化硼襯底上的石墨烯結構顯著地增大了磁阻。這提供了低磁場和高磁場 中的高靈敏度傳感器。磁阻測量的非局部方式顯著地提高了對于低磁場的綜合靈敏度，使 得層狀材料對下一代傳感設備是非常有前途的。此外，石墨烯基磁阻傳感器檢測垂直于樣 品平面的磁場，并且對于平面內(nèi)磁場，靈敏度是弱的，因此減小了交叉場誤差的可能性。磁 阻傳感器具有潛在的垂直磁性記錄應用和潛在的磁場傳感應用（位置傳感器、速度傳感器 等）。此外，石墨烯基磁阻傳感器是有成本效益的，這是因為石墨烯可以從不同的源獲取，諸 如食物、昆蟲和垃圾。此外，lnm的多層石墨稀比微米厚的InSb便宜很多。最后，石墨稀被容 易地轉移至包括塑料的任何襯底，而InSb需要在GaAs襯底上的外延生長。雖然示例性實施 例被呈現(xiàn)在本發(fā)明的上述【具體實施方式】中，但是應當意識到的是存在大量變形。例如，本領 域技術人員將從此處的教導意識到本技術還可以被應用于角度傳感、位置傳感、光學栗浦、 核進動或超導量子干涉設備(SQUID)。
[0071]應當進一步意識到的是，示例性實施例僅為示例，并且不旨在以任何方式限制本 申請的范圍、適用性、操作和配置。相反，上述【具體實施方式】將向本領域技術人員提供方便 的路線圖以實施本發(fā)明的示例性實施例，這被理解為可以在示例性實施例中描述的操作的 方法以及元件的功能和布置中作出各種改變，而不偏離所附權利要求中闡述的本發(fā)明的范 圍。
【主權項】
1. 一種石墨稀結構，包括： 襯底層；以及 設置在所述襯底上的至少兩層石墨烯層，所述至少兩層石墨烯層包括柵電壓調(diào)諧層和 有效石墨烯層，所述有效石墨烯層包括一個或多個石墨烯層，并且 其中所述石墨烯結構的磁阻比率由所述柵電壓調(diào)諧層和所述有效石墨烯層之間的電 荷迀移率和/或載流子密度的差確定，并且其中所述柵電壓調(diào)諧層的電荷迀移率和/或載流 子密度通過施加至所述石墨烯結構的柵電壓可調(diào)諧。2. 根據(jù)權利要求1所述的石墨烯結構，其中所述石墨烯層的數(shù)目是2至6。3. 根據(jù)權利要求2所述的石墨烯結構，其中所述石墨烯層的數(shù)目是4至6。4. 根據(jù)權利要求1所述的石墨烯結構，其中所述柵電壓調(diào)諧層在所述有效石墨烯層之 下。5. 根據(jù)權利要求1所述的石墨烯結構，其中所述柵電壓調(diào)諧層在所述有效石墨烯層之 上。6. 根據(jù)權利要求1所述的石墨烯結構，其中最大磁阻比率在施加的柵電壓近似處于所 述石墨烯結構的電荷中性點時獲得。7. 根據(jù)權利要求1所述的石墨烯結構，其中所述磁阻比率幾乎與溫度無關。8. 一種磁場傳感器，包括： 襯底層；以及 設置在所述襯底上的至少兩層石墨烯層，在所述至少兩層石墨烯層上制造有電極，并 且包括柵電壓調(diào)諧層和有效石墨烯層，所述有效石墨烯層包括一個或多個石墨烯層，并且， 其中所述石墨烯結構的磁阻比率由所述柵電壓調(diào)諧層和所述有效石墨烯層之間的電 荷迀移率和/或載流子密度的差確定，并且其中所述柵電壓調(diào)諧層的電荷迀移率和/或載流 子密度通過經(jīng)所述電極施加至所述石墨烯結構的柵電壓可調(diào)諧。9. 根據(jù)權利要求8所述的磁場傳感器，其中所述石墨烯層的數(shù)目是2至6。10. 根據(jù)權利要求9所述的磁場傳感器，其中所述石墨烯層的數(shù)目是4至6。11. 根據(jù)權利要求8所述的磁場傳感器，其中所述柵電壓調(diào)諧層在所述有效石墨烯層之 下。12. 根據(jù)權利要求8所述的磁場傳感器，其中所述柵電壓調(diào)諧層在所述有效石墨烯層之 上。13. 根據(jù)權利要求8所述的磁場傳感器，其中最大磁阻比率在施加的柵電壓近似處于所 述石墨烯結構的電荷中性點時獲得。14. 根據(jù)權利要求8所述的磁場傳感器，其中所述磁阻比率幾乎與溫度無關。15. 根據(jù)權利要求8所述的磁場傳感器，其中所述襯底或底層是氮化硼。16. 根據(jù)權利要求8所述的磁場傳感器，其中所述至少兩層石墨烯層和所述襯底層構建 薄膜，所述薄膜進一步包括:所述襯底層之下的基底層。17. 根據(jù)權利要求16所述的磁場傳感器，其中所述基底層是柔性的。
【文檔編號】B82Y25/00GK105980872SQ201480074598
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2014年12月26日
【發(fā)明人】G·卡隆, H·楊, 申榮俊, 安東尼奧·埃利奧·卡斯特羅·內(nèi)托
【申請人】新加坡國立大學