基于石墨烯交叉纳米条带的柔性霍尔传感器件

本发明涉及霍尔传感元件的制备，更具体地说是涉及一种以平面生长硅纳米线为模板刻蚀出石墨烯交叉纳米条带霍尔传感原型器件的方法，以及并将制备的石墨烯交叉纳米条带霍尔传感原型器件和探针集成在一起的方法，属于磁场探测和纳米。

背景技术：

1、霍尔传感器是最重要的磁传感器件，具有无接触、抗干扰能力强、线性度好的优点，被广泛应用在位移传感、电流检测、机械探测和地磁场探测领域中应用。基本原理主要是在磁场（b）中通有电流（i）的器件在垂直于电流方向上将产生横向电压（uh）。所以通过测试横向电压可以测磁场大小，灵敏度是衡量霍尔传感器性能指标的重要参数，灵敏度表征的是传感器对磁场信号的敏感程度。通过微观推导可以得到电流灵敏度和电压灵敏度：s_i=1/nqd, s_v=μ w/l,其中，s_i、s_v分别为电流和电压灵敏度，n为载流子浓度，q为单位电荷电量，d为霍尔器件工作物质厚度，μ为迁移率，w和l分别为器件的长度和宽度。可以知道高迁移率、低载流子浓度、薄的工作材料将霍尔探测器具有高灵敏度。相比于金属，半导体材料载流子浓度低，很适合用作制备霍尔器件，硅、锗以及具有高迁移率的iii-v族半导体材料被广泛应用于霍尔传感，如insb、gaas以及二维电子气结构。

2、随着万物互联以及可穿戴电子的发展，对集成度和柔性提出了新要求，尤其是人类在表征微观结构中的磁成像对分辨率越来越高，就需要更小、集成度更高的霍尔器件。常规的霍尔器件受限于工艺以及器件小型化之后性能严重下降已经无法满足要求。

3、石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，本征悬空的石墨烯在室温下的载流子迁移率约为200000 cm2 /（v•s，），只有原子层厚度的石墨烯在霍尔传感中拥有得天独厚的优势，同时，即使在尺寸在纳米范围内，石墨烯的迁移率表现依然优秀，天然柔性使得石墨烯在可穿戴柔性电子方面有广泛的研究和应用。

4、目前，国际上也出现了一些制备石墨烯交叉纳米带的霍尔传感器件，但本科研团队发现现有技术的制备需要昂贵的电子束刻蚀，大大限制了其广泛应用。

5、由此，发明人提出了一种基于光刻技术，采用金属诱导平面纳米线生长方法，通过转移组装为平面交叉硅纳米线阵列，并以此为模板刻蚀出交叉石墨烯纳米条带，该方案中纳米线直径大小决定了石墨烯条带宽度，可以低成本地制备出大面积、高集成交叉石墨烯纳米条带，衬底可以选择柔性衬底，进一步制备出霍尔器件，应用于纳米探针以及其相关领域。

技术实现思路

1、本技术通过提供一种基于石墨烯交叉纳米条带的柔性霍尔传感器件，解决了现有技术中制备石墨烯交叉纳米带成本高的问题，实现了采用低成本制备大面积、高集成交叉石墨烯纳米条带及霍尔传感器的方法。

2、本技术提供了一种基于石墨烯交叉纳米条带的柔性霍尔传感器件制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

3、1）、在淀积二氧化硅的柔性衬底上诱导生长直径均匀的硅纳米线；

4、2）、将一个所述柔性衬底样品上的硅纳米线转移到另一个带有硅纳米线的柔性衬底样品上，并保持两个柔性衬底样品上的纳米线相互交叉垂直；

5、3）、将生长于铜网上带有光刻胶的石墨烯清洗后转移至淀积有钝化层的柔性衬底上；

6、4）、将步骤2）中制备的具有交叉硅纳米线的薄膜覆盖到步骤3覆盖有石墨烯的柔性衬底上，定义需要刻蚀的长方形区域，显影定影，得到需要制备交叉垂直石墨烯纳米条带的区域；

7、5）、以垂直交叉纳米线为模板，刻蚀掉未被垂直交叉纳米线掩盖区域的石墨烯，被掩盖区域得到垂直交叉石墨烯纳米条带；

8、6）把所述柔性衬底朝上放在丙酮溶液表面去除硅纳米线模板；

9、7）通过光刻和电子束蒸发技术制备出霍尔电极，通过打线封装技术和外电路相连。

10、作为优选，步骤1所述的硅纳米线为去除周围非晶硅的纳米线，纳米线直径为数十纳米到几百纳米，所述硅纳米线为单根或阵列。

11、作为优选，所述步骤2的硅纳米线的转移方法为：

12、首先，将带有硅纳米线的样品表面涂一层光刻胶并烘干；

13、然后，把该样品放在稀释的氢氟酸溶液中，等光刻胶在溶液中漂浮起来时，将薄膜从溶液中捞起来并晾干；

14、其次，在有角度刻度的显微镜转移平台上将带有硅纳米线的光刻胶薄膜放在另一个硅纳米线样品上，并使得两层硅纳米线垂直；

15、最后，用丙酮溶液去除光刻胶薄膜并烘干样品，再向交叉纳米线样品上旋涂一层刻光刻胶并烘干，把样品放在稀释的氢氟酸溶液里，当薄膜漂浮起来时将其捞起来并晾干。

16、作为优选，所述步骤3的步骤包括：

17、首先，将生长在铜网上的石墨烯旋涂光刻胶后放入过硫酸铵溶液中腐蚀铜网，2h后将透明状的带有刻胶的石墨烯用玻璃片转移至去离子水中，多次清洗；

18、然后，将带有光刻胶的石墨烯转移至覆盖一层二氧化硅聚酰亚胺pi的衬底上，自然阴干，不用去除光刻胶。

19、作为优选，所述步骤3中的二氧化硅厚度为90nm或者280 nm。

20、本发明还公开了一种基于石墨烯交叉纳米条带的柔性霍尔传感器件，其特征在于：包括霍尔探测元件、电学通道及cmos读出电路；所述霍尔探测元件包含柔性衬底及置于所述柔性衬底上的两根垂直交叉的石墨烯纳米条带或者垂直交叉的石墨烯纳米条带阵列；

21、所述电学通道为设置于所述垂直交叉的石墨烯纳米条带或者阵列上的霍尔电极，用于接通电流并输出霍尔电压；

22、所述霍尔电极为通过点焊技术外接于霍尔电极上的cmos稳流输入和读出电路；所述电路包括霍尔电压放大器和信号处理电路。

23、作为优选，所述的柔性衬底为柔性的聚酰亚胺pi衬底，或者聚对苯二甲酸乙二醇酯pet。

24、作为优选，所述柔性衬底淀积的钝化层为平整的二氧化硅钝化层、氧化铝薄膜、氧化铪或者氮化硅介质薄膜。

25、本发明还公开了一种基于石墨烯交叉纳米条带霍尔器件的应用，其特征在于，采用上述霍尔探测元件，所述霍尔探测元件通过黏贴或者键合的方法固定在探针曲率半径针尖的表面针尖，用以测量微观结构的纳米扫描探针或生物医学的纳米分子探针。

26、本技术提供的技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

27、1）本发明采用生长形貌编程的交叉硅纳米线，可以制备任意阵列和参数的模板，以此为模板对石墨烯进行刻蚀复制，并基于刻蚀后的石墨烯制备霍尔器件。

28、2）本发明通过对衬底的选择，可以制备出柔性的霍尔器件阵列，并应用于任意曲面，适应特殊环境下的磁场、电流、电压等测试需求；更可以制备出霍尔纳米探针，应用于空间高分辨磁场的检测，通过扫描可以得到磁场空间分布，用于确定磁性材料的空间分布情况。

29、3）本发明以直径为百纳米到几十纳米的平面生长硅纳米线为模板，不需要昂贵的电子束光刻技术就可以得到石墨烯交叉纳米条带，同时石墨烯具有高迁移率、超薄厚度、高温度稳定性等优点，使得本发明可以得到微型高集成、高灵敏度的霍尔传感元件。

30、4）本发明以石墨烯天然的柔性和良好的机械特性使得柔性霍尔传感器可以很好贴合在有大曲率半径的表面，为制备霍尔传感探针提供了有利的条件。