一种基于磁性拓扑绝缘体薄膜的磁传感器制备方法与流程

[0001]
本发明涉及一种基于磁性拓扑绝缘体薄膜反常霍尔效应的高灵敏度磁传感器，特别涉及基于磁性拓扑绝缘体cr
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bi
2-x
te3薄膜的制备工艺和通过优化cr的掺杂浓度获得较大灵敏度。
技术背景
[0002]
基于霍尔效应，霍尔传感器作为磁力计的重要组成部分，广泛应用于汽车、船舶以及消费电子等领域。不同于与由洛伦兹力产生的霍尔效应，一种在铁磁材料中由于自旋极化载流子的自旋轨道相互作用而产生的反常霍尔效应(ahe)的出现带来了一种新型的低功耗霍尔传感器-反常霍尔效应磁传感器。基于反常霍尔效应的磁传感器在无定形的y-co磁性合金薄膜、共溅射粒状ni-sio2薄膜、多晶ni薄膜、pt基铁磁合金薄膜以及赫斯勒合金co2mnal都进行了广泛的探索，其中最高灵敏度已经被提高到了1000ω/t。
[0003]
由于反常霍尔效应磁传感器的灵敏度主要来源于材料中强的反常霍尔效应，因此，具有量子化反常霍尔效应的磁性拓扑绝缘体成为了研究高灵敏度反常霍尔磁传感器的理想材料之一。在目前有关实验报道中，基于磁性拓扑绝缘体mn掺杂的bi2te3在7.5k获得了43ω/t灵敏度，并且在cr掺杂的bi2te3在2.5k获得了2620ω/t的灵敏度。
[0004]
cr掺杂的bi2te3具有相较于mn掺杂的bi2te3具有更强的反常霍尔效应，因此呈现除了较高的灵敏度。然而，对于磁性拓扑绝缘体的反常霍尔效应的进一步的提升将更有利于基于磁性拓扑绝缘体反常霍尔效应磁传感器灵敏度的提高，从而有利于该磁传感器的应用。基于此，本发明通过优化cr的掺杂浓度，从而实现了对该磁传感器灵敏度的调控，并获得了最大灵敏度可达6625ω/t。本发明为基于磁性拓扑绝缘体cr
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bi
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te3反常霍尔效应磁传感器的应用打下了基础，并为基于磁性拓扑绝缘体的高灵敏度磁传感器的探索提供了借鉴。


技术实现要素：

[0005]
本发明目的在于，提供了一种基于磁性拓扑绝缘体薄膜反常霍尔效应的高灵敏度磁传感器。所选用的薄膜为具有强反常霍尔效应高质量的cr
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bi
2-x
te3薄膜。通过优化cr的掺杂浓度，该磁传感器的最大灵敏度可达到6625ω/t。
[0006]
本发明的技术方案是，一种基于磁性拓扑绝缘体薄膜反常霍尔效应的高灵敏度磁传感器的制备，磁传感器所需的薄膜为高质量的磁性拓扑绝缘体cr
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bi
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te3薄膜；
[0007]
cr
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bi
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te3薄膜的制备工艺步骤:利用分子束外延生长工艺通过调控三元素的束流量及cr蒸发温度来获得不同cr掺杂的cr
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bi
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te3薄膜，具体生长步骤：
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1)选用和bi2te3具有相近晶格常数的云母片作为衬底材料；
[0009]
2)将(新鲜解离的或再经表面处理)云母片放入高真空的生长腔室内，待蒸镀高纯度的cr,bi,te三种元素；
[0010]
3)将bi源和te源的蒸发束流比调节至1:3～1:30；
[0011]
4)伴随bi和te的蒸发，cr也同时从蒸发源沉积到衬底中；
[0012]
5)bi蒸发温度为：500～600℃，te蒸发温度为：200～300℃，cr的蒸发温度分别设置为980～1040℃，可获得cr
x
bi
2-x
te3薄膜，且cr不同掺杂浓度x为：0.03～0.2；
[0013]
通过优化cr的掺杂浓度，可以调控磁传感器的灵敏度，所述的通过调控cr的蒸发温度获得不同cr浓度的cr
x
bi
2-x
te3薄膜的制备工艺，易于调控，并且薄膜尺寸可达1cm
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1cm～10cm
×
10cm。
[0014]
所述的通过优化cr的浓度可以调控磁传感器的灵敏度，在cr添加量在x为0.03～0.2时，最高灵敏度可达到：6625ω/t。
[0015]
所述的通过优化cr的浓度可以调控磁传感器的灵敏度，在cr添加量在x为0.03～0.2时，在温度区间为1.6-20k时，灵敏度仍能保持在4082ω/t以上。x尤其为0.05～0.12。
[0016]
磁传感器基于一种稳定的cr
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bi
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te3薄膜，可通过直接在材料两端施加电流，测试垂直于电流方向的电阻，即可敏感反应出外部磁场的变化。
[0017]
本发明采用分子束外延生长技术(mbe)制备cr掺杂bi2te3磁性薄膜。该制备工艺可以获得大面积，可调控的薄膜材料。采用反应等离子耦合(icp)刻蚀技术将该磁性薄膜刻蚀出标准的霍尔片形状，测试其霍尔灵敏度。通过调控cr的掺杂浓度，可以获得具有不同灵敏度的反常霍尔效应磁传感器。并通过优化掺杂浓度，获得基于磁性cr
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bi
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te3薄膜反常霍尔效应的磁传感器的最大灵敏度，该高灵敏度的磁传感器可非常稳定地用于低温超导材料的研究以及低温磁场探测。
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有益效果：
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1)采用分子束外延生长技术，制备出高质量的cr
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te3薄膜，该制备工艺可获得具有大面积，可调控的薄膜；
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2)本发明制备的基于磁性拓扑绝缘体cr
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te3反常霍尔效应磁传感器可以获得最大灵敏度为6625ω/t；
[0021]
3)本发明制备的基于磁性拓扑绝缘体cr
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te3反常霍尔效应磁传感器在20k仍能保持较大的灵敏度为4082ω/t；
[0022]
4)本发明制备工艺参数易控制，可便于基于该磁性薄膜cr
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bi
2-x
te3磁传感器的实际应用。
附图说明
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图1为磁传感器件的霍尔片形状以及检测结构示意图；
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图2为磁性拓扑绝缘体薄膜cr
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te3的原子力显微镜图片；
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图3为磁性拓扑绝缘体薄膜cr
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te3的原子力显微镜对厚度的标定；
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图4为磁性拓扑绝缘体薄膜cr
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te3的反射高能电子衍射图；
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图5为磁性拓扑绝缘体薄膜cr
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te3的拉曼光谱图；
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图6为磁性拓扑绝缘体薄膜cr
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te3的x射线衍射图；
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图7为基于磁性拓扑绝缘体薄膜cr
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te3反常霍尔效应磁传感器的最大灵敏度。
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具体技术方案
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以下通过具体实例来说明本发明。
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实施案例
[0033]
选取干净平整的云母作为衬底材料1。将干净的云母衬底进行剥离出新鲜解离面，迅速置于高真空生长腔室内。本底真空度为10-11
torr。分别同时将cr，bi，te蒸发源的温度慢慢升温至1000～1040℃，500～550℃，200～260℃。待三个蒸发源的蒸发束流稳定后，开始生长，使得三种元素开始蒸发并沉积到云母衬底上。cr的蒸发速率为始生长，使得三种元素开始蒸发并沉积到云母衬底上。cr的蒸发速率为bi的蒸发速率为：te:的蒸发速率为：控制相同的蒸发时间，获得相同厚度的薄膜。本发明制备了厚度为6～20nm的cr
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te3薄膜。将该薄膜利用反应等离子体耦合技术(icp)刻蚀成标准的霍尔片形状，其中刻蚀气体选用ar气，刻蚀速功率控制在30w以内。刻蚀完后的薄膜进行电极制作，选用导电性好的铟颗粒将样品和测试端进行电极连接。在如图1所示，传感器在x轴施加电流，在y轴测试电压，电压数值将灵敏反应出外界磁场的变化情况，最大灵敏度可达6625ω/t。