专利名称：基于PbSe胶体量子点的阵列式霍尔元件及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种新型结构的基于PbSe胶体量子点的阵列式霍尔元件及其制作方法。这种霍尔元件采用PbSe胶体量子点材料，阵列式的排列方式，同时具有柔性好的特点。具有结构小，任意弯曲和灵敏度高等优点。
背景技术：
霍尔元件是根据霍尔效应进行磁电转换的磁敏元件。具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此将其广泛应用于电磁测量、非电量测量、自动控制、计算与通讯装置等领域中。目前霍尔元件的材料多采用锗、硅、砷化镓、砷化铟、锑化铟等半导体材料，元件尺寸较大，而且这些半导体材料的载流子浓度、迁移率等特征参数随温度变化大，导致霍尔电 阻率随温度变化大，霍尔元件工作温度受到限制。PbSe禁带窄、量子效率高、噪声低、对外界条件的影响反应比较灵敏。采用胶体量子点材料，可以制作出微纳尺寸的霍尔元件，灵敏度高且更具有柔韧性，这就使得对空间任意方向磁场的测量更加方便。目前很多霍尔元件都是采用单个霍尔元件独立工作或多个组装在一起，对于磁场的测量具有一定的局限性。将霍尔元件阵列集成在同一衬底上，可靠性、一致性及灵敏度闻。经查找发现我国国内没有采用PbSe胶体量子点作为敏感材料且集成于一个柔性衬底上的阵列霍尔元件报道。
发明内容
鉴于以上问题，本发明提出了基于PbSe胶体量子点的阵列式霍尔元件及其制作方法。这种霍尔元件阵列完全集成于一个柔性衬底上，并且采用PbSe胶体量子点作为敏感材料，大大简化了制作工艺，减小了霍尔元件的尺寸。本发明的上述目的通过以下技术方案实现，结合
如下一种基于PbSe胶体量子点的阵列式霍尔元件,包括PbSe胶体量子点敏感单元、电流输入端电极、电流输出端电极、信号输出电极I和信号输出电极II,所述PbSe胶体量子点敏感单元8为多个串联在一起，并按点阵列式排列在柔性衬底I上，PbSe胶体量子点敏感单元8 —端为电流输入端电极2，另一端为电流输出端电极7，每个PbSe胶体量子点敏感单兀8的信号分别通过信号输出电极I 3和信号输出电极II 6输出，所有PbSe胶体量子点敏感单元8的信号输出电极I 3集中在一起排布并与信号输出端接口 I 4相连，所有PbSe胶体量子点敏感单元8的信号输出电极II 6集中在一起排布并与信号输出端接口 II 5相连。如上述的一种基于PbSe胶体量子点的阵列式霍尔兀件的制作方法,每个PbSe胶体量子点敏感单元8的制作方法完全相同，具体步骤如下I)将0.892g Pb0、2.26g油酸和12. 848g十八烯放入三口瓶中，在氮气环境中，将其加热到170°C，迅速注入质量比为10%的6.4g Se/三丁基膦溶液，反应溶液温度迅速降至148°C，生长3分钟后，使用甲苯溶液扑灭反应，并纯化获得PbSe量子点；2)将PbSe量子点配置成浓度为15mg/mL的氯仿溶液，取5mL量子点溶液和3mLtert_butyl N- (2-mercaptoethyl) carbamate加入离心管中，将离心管震荡2个小时以上，用甲醇将量子点清洗两次，最后溶解到氯仿中，这样量子点表面配体就具备了光反应活性，此时胶体量子点为非极性体系；3)将 30mg 上述表面改性后的量子点和 I. 5mg di-tert-butylphenyIiodoniumperfluorobutane-sulfonate溶解到ImL氯仿中，使用勻胶机将混合溶液旋涂在清洗后的柔性衬底I上，形成PbSe胶体量子点层9，通过预先做好的掩膜模板11覆盖在PbSe胶体量子点层9上，掩膜模板11正好将单个PbSe胶体量子点敏感单元8所在位置暴露在外面，通过10分钟紫外灯照射掩膜模板11，使得单个PbSe胶体量子点敏感单元8所在位置表面配体断键，形成极性体系，然后在100°C的烤盘上，退火2分钟，使用正己烷清洗衬底，将未曝光的非极性量子点体系洗掉，这样就制备出了单个PbSe胶体 量子点敏感单元8;4)蒸镀电极，由于电流输入端电极2、电流输出端电极7、信号输出电极I 3、信号输出电极116在空间上有交叉,首先蒸镀信号输出电极I 3和信号输出电极116,蒸镀电极时先按照设计尺寸制作掩膜板，覆盖好掩膜板后，使用热蒸镀技术，进行信号输出电极I 3和信号输出电极116的蒸镀,蒸镀完电极后去除掩膜板，这样就完成了信号输出电极I 3和信号输出电极116的蒸镀；5)镀保护层10，单个PbSe胶体量子点敏感单元8的左右两端和电流输入端电极
2、电流输出端电极7相连的部分不用镀膜，蒸镀保护层10的方法与镀电极的方法相似，即制作适合的掩膜板，采用电子束蒸镀SiO2保护层后去除掩膜板；6)蒸镀电流输入端电极2和电流输出端电极7，镀电流输入端电极2和电流输出端电极7的方法和蒸镀信号输出电极I 3和信号输出电极116的方法相同,这样就完成了基于PbSe胶体量子点的阵列式霍尔元件的制作。本发明的技术效果是这种霍尔元件尺寸小，制作简单灵活，对于空间磁场的测量与现有霍尔元件相比有着很明显的优势。
图I基于PbSe胶体量子点的阵列式霍尔元件总体结构图。图2基于PbSe胶体量子点的阵列式霍尔兀件电气原理图。图3单个PbSe胶体量子点敏感单元立体结构图。图4PbSe胶体量子点敏感单元形状结构图。图5涂覆PbSe胶体量子点层示意图。图6 (a)覆盖chrome/quartz模板示意图。图6 (b)是图6 (a)的俯视图。图7覆盖chrome/quartz模板立体示意图。图8 (a)刻蚀单个PbSe胶体量子点敏感单元示意图。图8 (b)是图8 (a)的俯视图。图9(a)镀信号输出端导线示意图。图9 (b)是图9 (a)的俯视图。
图10镀保护层示意图。图11(a)镀电流输入端和电流输出端电极。图11(b)是图11(a)的俯视图。图中1-柔性衬底2-电流输入端电极3-信号输出电极I 4-信号输出端接口 I 5-信号输出端接口 II 6-信号输出电极I 7-电流输出端电极8-PbSe胶体量子点敏感单元9-PbSe胶体量子点层10-保护层11-chrome/quartz模板
具体实施例方式以下仅为本发明的较佳实施例，不能以此限定本发明的范围。即但凡依本发明申请的专利范围所做的均等变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围。下面用实施例来具体说明本发明的结构和制作方法。·本发明采取了图I所示的总体结构方案。以4X4点阵为例，2为电流输入端电极，7为电流输出端电极。由于每个PbSe胶体量子点敏感单元8的输入电压都一样，为了简化电路,将各个PbSe胶体量子点敏感单元8串联起来。同样，对4X4点阵来说，由于要依次读取每个PbSe胶体量子点敏感单元8的霍尔电压值,将每个PbSe胶体量子点敏感单元8的信号分别通过信号输出电极I 3和信号输出电极116输出。为了防止短路现象的发生，电流输入端电极2和电流输出端电极7与信号输出电极I 3和信号输出电极II 6之间米用隔离的手段排线。所有PbSe胶体量子点敏感单元8的信号输出电极I 3集中在一起排布并与信号输出端接口 I 4相连。所有PbSe胶体量子点敏感单元8的信号输出电极116集中在一起排布并与信号输出端接口 II 5相连。由于整个霍尔元件所采用柔性衬底1，并且PbSe胶体量子点敏感单元8、电流输入端电极2、电流输出端电极7、信号输出电极I 3、信号输出电极116厚度都很小，这使得真个霍尔元件能够任意弯曲，方便空间磁场测量。图I所述的总体结构的电气原理图如图2所示，在有磁场存在且有电流从电流输入端电极2输入和电流输出端电极7输出的情况下，能够通过信号输出端接口 I 4和信号输出端接口 II 5读取相应PbSe胶体量子点敏感单元8上的霍尔电压，这样就完成空间磁场的探测。根据图3所述为单个PbSe胶体量子点敏感单元8的立体结构，图4所述为单个PbSe胶体量子点敏感单元8平面形状。在柔性衬底I上旋涂有PbSe胶体量子点敏感单元8。在PbSe胶体量子点敏感单元8的左右两端蒸镀有电流输入端电极2和电流输出端电极7。在PbSe胶体量子点敏感单兀8的上下两端则蒸镀有信号输出电极I 3和信号输出电极116。在工作时，工作电流通过电流输入端电极2输入，接着经过PbSe胶体量子点敏感单元8，再通过电流输出端电极7输出。当有磁场存在时，在PbSe胶体量子点敏感单元8中有明显的霍尔现象，通过读取信号输出电极I 3和信号输出电极116上的电压信号就能间接的实现磁场的测量。这样在同一柔性衬底I上按要求集成了这样的多个PbSe胶体量子点敏感单元8，将这些PbSe胶体量子点敏感单元8分别按照一定的电气规则连接起来，就构成了基于PbSe胶体量子点的阵列式霍尔元件。通过改变在柔性衬底上集成单个PbSe胶体量子点敏感单元8的数目，也可以制作成不同规格的霍尔元件。比如会有8X8、16X16、8X16等。简单的修改PbSe胶体量子点敏感单元8的数目或者调整PbSe胶体量子点敏感单元8的形状参数都是本发明的发明内容。
本发明为了更加清楚的说明这种新结构PbSe胶体量子点阵列式霍尔元件，取其中一个敏感单元予以说明，其他单元制作方法和此单元制作方法完全一样，并且在制作时是同步的。图5至图11是整个制作过程示意图将0.892g Pb0、2.26g油酸和12.848g十八烯放入三口瓶中，在氮气环境中，将其加热到170°C，迅速注入6.4g Se/三丁基膦溶液(质量比为 10%)，反应溶液温度迅速降至148°C，生长3分钟后，使用甲苯溶液扑灭反应，并纯化获得PbSe量子点。将PbSe量子点配置成浓度为15mg/mL的氯仿溶液，取5mL量子点溶液和3mL tert-butylN- (2-mercaptoethyl) carbamate加入离心管中，将离心管震荡2个小时以上。用甲醇将量子点清洗两次，最后溶解到氯仿中。这样量子点表面配体就具备了光反应活性，此时胶体量子点为非极性体系。参阅图5, 30mg上述表面改性后的量子点和I. 5mg di-tert-butylphenyIiodoniumperfluorobutane-sulfonate溶解到ImL氯仿中，使用勻胶机将混合溶液旋涂在清洗后的柔性衬底I上，形成PbSe胶体量子点层9。参阅图6和图7，通过预先做好的掩膜模板11覆盖在PbSe胶体量子点层9上，掩膜模板11正好将单个PbSe胶体量子点敏感单元8所在位置暴露在外面，通过10分钟紫外灯照射掩膜模板11，使得单个PbSe胶体量子点敏感单元8所在位置表面配体断键，形成极性体系，然后在100°C的烤盘上，退火2分钟。使用正己烷清洗衬底，将未曝光的非极性量子点体系洗掉，这样就制备出了单个PbSe胶体量子点敏感单兀8，结果参阅图8。完成单个PbSe胶体量子点敏感单元8的制备后将是蒸镀电极，由于电流输入端电极2、电流输出端电极7、信号输出电极I 3、信号输出电极116在空间上有交叉,所以不能同时蒸镀这些电极。参阅图9,首先蒸镀信号输出电极I 3和信号输出电极II 6。蒸镀电极时先按照设计尺寸制作掩膜板，覆盖好掩膜板后，使用热蒸镀技术，进行信号输出电极I 3和信号输出电极116的蒸镀，蒸镀完电极后去除掩膜板，这样就完成了信号输出电极I 3和信号输出电极116的蒸镀。完成以上步骤后，参阅图10，镀保护层10。保护层10的作用有两点，一是保护单个PbSe胶体量子点敏感单元8,防止其在空气中被氧化或受到外来破坏；再者是防止电流输入端电极2、电流输出端电极7和信号输出电极I 3、信号输出电极116交叉时导电，起绝缘作用。在镀保护层10时，单个PbSe胶体量子点敏感单元8的左右两端和电流输入端电极2、电流输出端电极7相连的部分不用镀膜。蒸镀保护层10的方法和镀电极的情况相似，也是制作适合的掩膜板，采用电子束蒸镀SiO2保护层后去除掩膜板。镀完保护层10后，参阅图11，镀电流输入端电极2和电流输出端电极7。蒸镀电流输入端电极2和电流输出端电极7的方法和蒸镀信号输出电极I 3和信号输出电极II 6的方法相同。这样就完成了基于PbSe胶体量子点的阵列式霍尔元件的制作。
权利要求
1.一种基于PbSe胶体量子点的阵列式霍尔元件,包括PbSe胶体量子点敏感单元、电流输入端电极、电流输出端电极、信号输出电极I和信号输出电极II,其特征在于,所述PbSe胶体量子点敏感单元(8)为多个串联在一起，并按点阵列式排列在柔性衬底(I)上，PbSe胶体量子点敏感单元(8) —端为电流输入端电极(2)，另一端为电流输出端电极(7)，每个PbSe胶体量子点敏感单元(8)的信号分别通过信号输出电极I (3)和信号输出电极II (6)输出，所有PbSe胶体量子点敏感单兀(8)的信号输出电极I (3)集中在一起排布并与信号输出端接口 1(4)相连，所有PbSe胶体量子点敏感单元(8)的信号输出电极I (6)集中在一起排布并与信号输出端接口 11(5)相连。
2.如权利要求I所述的一种基于PbSe胶体量子点的阵列式霍尔元件的制作方法，其特征在于，每个PbSe胶体量子点敏感单元(8)的制作方法完全相同，具体步骤如下 1)将0.892gPbO、2.26g油酸和12.848g十八烯放入三口瓶中，在氮气环境中，将其加热到170°C，迅速注入质量比为10%的6.4g Se/三丁基膦溶液，反应溶液温度迅速降至148°C，生长3分钟后，使用甲苯溶液扑灭反应，并纯化获得PbSe量子点； 2)将PbSe量子点配置成浓度为15mg/mL的氯仿溶液，取5mL量子点溶液和3mLtert_butyl N- (2-mercaptoethyl) carbamate加入离心管中，将离心管震荡2个小时以上，用甲醇将量子点清洗两次，最后溶解到氯仿中，这样量子点表面配体就具备了光反应活性，此时胶体量子点为非极性体系； 3)将30mg上述表面改性后的量子点和I.5mg di-tert-butylphenyIiodoniumperfluorobutane-sulfonate溶解到ImL氯仿中，使用勻胶机将混合溶液旋涂在清洗后的柔性衬底(I)上，形成PbSe胶体量子点层(9)，通过预先做好的掩膜模板(11)覆盖在PbSe胶体量子点层(9)上，掩膜模板(11)正好将单个PbSe胶体量子点敏感单元(8)所在位置暴露在外面，通过10分钟紫外灯照射掩膜模板(11)，使得单个PbSe胶体量子点敏感单元(8)所在位置表面配体断键，形成极性体系，然后在100°C的烤盘上，退火2分钟，使用正己烷清洗衬底，将未曝光的非极性量子点体系洗掉，这样就制备出了单个PbSe胶体量子点敏感单元⑶； 4)蒸镀电极，由于电流输入端电极⑵、电流输出端电极(7)、信号输出电极I(3)、信号输出电极II (6)在空间上有交叉，首先蒸镀信号输出电极I (3)和信号输出电极II (6),蒸镀电极时先按照设计尺寸制作掩膜板，覆盖好掩膜板后，使用热蒸镀技术，进行信号输出电极I (3)和信号输出电极II (6)的蒸镀,蒸镀完电极后去除掩膜板,这样就完成了信号输出电极I (3)和信号输出电极II (6)的蒸镀； 5)镀保护层(10)，单个PbSe胶体量子点敏感单元(8)的左右两端和电流输入端电极(2)、电流输出端电极(7)相连的部分不用镀膜，蒸镀保护层(10)的方法与镀电极的方法相似，即制作适合的掩膜板，采用电子束蒸镀SiO2保护层后去除掩膜板； 6)蒸镀电流输入端电极⑵和电流输出端电极(7)，蒸镀电流输入端电极⑵和电流输出端电极(X)的方法和蒸镀信号输出电极I (3)和信号输出电极II (6)的方法相同,这样就完成了基于PbSe胶体量子点的阵列式霍尔元件的制作。
全文摘要
本发明涉及一种新型结构的基于PbSe胶体量子点的阵列式霍尔元件及其制作方法。具有结构小，任意弯曲和灵敏度高等优点。所述PbSe胶体量子点敏感单元为多个串联在一起，并按点阵列式排列在柔性衬底上，该单元一端为电流输入端电极，另一端为电流输出端电极，每个PbSe胶体量子点敏感单元的信号分别通过各自信号输出电极I输出，所有PbSe胶体量子点敏感单元的信号输出电极I和II分别集中在一起排布并与各自的信号输出端接口相连，该单元的制作方法包括，首先制备出单个PbSe胶体量子点敏感单元8，然后蒸镀电极，先蒸镀信号输出电极I和信号输出电极II，在其上镀保护层，最后蒸镀电流输入端电极和电流输出端电极。
文档编号H01L43/10GK102723350SQ20121020851
公开日2012年10月10日 申请日期2012年6月21日 优先权日2012年6月21日
发明者于伟泳, 冯毅, 张佳全, 张宇, 张铁强, 林晓珑, 王一丁, 翟微微 申请人:吉林大学