Датчик Холла на основе многослойного графена Российский патент 2024 года по МПК G01R33/07 B82B1/00 

Изобретение относится к области приборостроения и метрологии магнитных полей, в т.ч. слабых магнитных полей, образующихся при протекании электрического тока (постоянного и слабо переменного) по проводникам и может быть использовано в автоэлектронике и микроэлектронике при измерении и регистрации локальных магнитных полей и величин электрического тока, а также при разработке микроэлектронных устройств нового поколения.

Эффект Холла в металлах и полупроводниках является основным явлением, служащим для определения слабых магнитных полей. Максимизация холловского напряжения V_H при заданной индукции магнитного поля В требует максимизации дрейфовой скорости носителей v_d:

где W - ширина образца. Величина дрейфовой скорости при заданном напряжении между задающими контактами V_sd оказывается пропорциональной подвижности электронов

где L - расстояние между задающими контактами (длина образца). Таким образом, максимизация сигнала - холловского напряжения V_H, при фиксированном напряжении между контактами, будет осуществляться в материалах с высокой электронной подвижностью. Если же между контактами зафиксирован ток I_b, то холловское напряжение максимально при наименьшей концентрации носителей заряда n_s на единицу площади пленки:

Для сравнения величины эффекта Холла в различных материалах вводится магниточувствительность S, равная отношению холловского напряжения к произведению тока и магнитного поля, S=V_H/I_bB.

В реальных приложениях для измерения слабых магнитных полей требуется максимизация холловского напряжения при фиксированной мощности, потребляемой датчиком. Поэтому возникает задача одновременной максимизации подвижности и минимизации концентрации носителей заряда на единицу площади.

Известен датчик Холла на основе тонкой пленки из сплава железо-платина (Левашов В.И., Матвеев В.Н., Кононенко О.В., Волков В.Т. патент РФ на изобретение №2006127022/28 "Датчик Холла для локальной магнитометрии", 25.07.2006), толщина пленки составляет 1-5 нм для минимизации поверхностной концентрации носителей заряда. Датчик использует явление экстраординарного эффекта Холла в ферромагнитном материале. Однако даже с учетом малой толщины пленки, чувствительность данного прибора составляет около 100 Ом/Тл. Невысокие значения чувствительности устройства к магнитному полю связаны с высокой концентрацией проводящих электронов в металле на единицу площади.

Известны датчики Холла на основе графена, описанные в серии патентных документов Glass H.F.J., Biddulph P.D., патент Великобритании на изобретение №GB2606555 "Graphene Hall-effect sensor", 16.11.2022; Glass H.F.J., Biddulph P.D., Rossi B, Yee L.L., патент Великобритании на изобретение №GB 2602174 "Graphene Hall sensor for use at cryogenic temperatures", 23.06.2021; Glass H.F.J., Biddulph P.D., Rossi B, Yee L.L. патент Китая на изобретение №CN 116686429 А "Graphene Hall sensor and manufacture and use thereof, 01.09.2023; M. Eckinger, S. Kolb, A. Dehe, G. Ruhl, патент США на изобретение №US9714988B2 "Hall effect sensor with graphene detection layer", 25.07.2017; M. Engel, R. Neuman, B. Ferreira, M. Steiner патент США №US9702748B2 "Graphene-based magnetic hall sensor for fluid flow analysis at nanoscale level", 11.07. 2017.

Хотя описанные конструкции датчиков отличаются деталями геометрии подложек, токоподводящих и сигнальных контактов, во всех них в качестве магнитно-чувствительного материала используется однослойный графен.

К недостаткам указанных датчиков стоит отнести следующие. Хотя с теоретической точки зрения минимальная концентрация носителей заряда достигается именно в однослойном графене, с практической точки зрения ее достижение затруднительно по нескольким причинам. Во-первых, на поверхности однослойного графена неизбежно присутствуют загрязнители, которые в силу контактной разности потенциалов приводят к хаотическому легированию графена электронами и дырками (режим «электрон-дырочных луж»). Эти загрязнители связанны как с выполнением литографических процедур (остатки резиста на поверхности графена), так и с прямым оседанием атмосферной пыли или даже отдельных газовых молекул. Во-вторых, эти же загрязнители приводят к деградации электронной подвижности в однослойном графене, и значения выше 1000 см²/(В⋅с) в графене без специальных процедур инкапсуляции практически недостижимы. Комбинация этих факторов приводит к ограничению чувствительности датчика-прототипа, до 1200 Ом/Тл при комнатной температуре.

Существуют методы инкапсуляции однослойного графена в диэлектрики, среди которых набольшую подвижность обеспечивает инкапсуляция в гексагональный нитрид бора. Однако воспроизводимых способов промышленного выращивания низкодефектного нитрида бора на графене до сих пор не существует, и процедура инкапсуляции однослойного графена выполняется вручную с помощью микроманипуляторов.

Также важным недостатком датчиков магнитного поля на основе однослойного графена является малая предельная величина возможных токов, пропускаемых по образцу. Так, плотность тока в 1 мА на микрометр ширины графена обычно приводит к перегоранию контакта «металл - графен». Для максимизации абсолютного значения холловского напряжения при данном измеряемом магнитном поле необходимо увеличивать пропускаемый ток.

Известен датчик Холла на основе многослойного графена, содержащий магнитно-чувствительную пленку из многослойного графена, размещенную на подложке, два металлических токоподводящих и два металлических потенциальных (измерительных) контакта к ней, который наиболее близок к заявляемому датчику Холла и поэтому выбран в качестве прототипа (Glass H.F.J., Biddulph P.D., патент Великобритании на изобретение №GB2606555 "Graphene Hall-effect sensor", 16.11.2022 [0013, 0039, 0041]).

Такой вариант выполнения датчика магнитного поля, в котором чувствительный элемент представляет структуру, содержащую от 1 до 10 листов графена (описанный в абзацах [0039] - [0041]), также имеет существенные недостатки. Во-первых, ван-дер-Ваальсово взаимодействие между слоями, по сути, превращает графен в графит, с его относительно большой концентрацией носителей и малой подвижностью. Как результат, Холловская чувствительность в графите с толщиной порядка 150 нм составляет около 0,7 Ом/Тл, а после пересчета на монослой составляет 300 Ом/Тл [Kinchin G. Н. The electrical properties of graphite //Proceedings of the Royal Society of London. Series A. Mathematical and Physical Sciences. - 1953. - T. 217. - №. 1128. - C. 9-26.]. Во-вторых, получение многослойного графена требует механического отшелушивания от объемного кристалла графита, что также является технологически не масштабируемой операцией.

Технические задачи, на которые нацелено данное изобретение, заключаются в повышении чувствительности датчика магнитного поля (как при фиксированном токе и фиксированном поле, так и при максимальном токе и фиксированном поле), достижении работоспособности при комнатной температуре, достижении простой в изготовлении конструкции датчика, в которой не требуется инкапсуляция магнитно-чувствительного материала.

Техническими результатами являются увеличение чувствительности холловского сопротивления датчика к магнитному полю до 2,5 кОм/Тл, увеличение чувствительности холловского напряжения при максимальном токе до 80 В/Тл, обеспечение работы при комнатной температуре, отсутствие необходимости технологических операций по инкапсуляции чувствительного элемента. Также решается задача одновременной максимизации подвижности и минимизации концентрации носителей заряда на единицу площади.

Технические результаты достигаются тем, что в известном датчике Холла на основе многослойного графена, содержащем магнитно-чувствительную пленку из многослойного графена, размещенную на подложке, два металлических токоподводящих и два металлических измерительных контакта к ней, в качестве магнитно-чувствительной пленки используют многослойный графен, последовательные слои которого развернуты относительно друг друга на углы в диапазоне от 10 до 50 градусов, с количеством слоев от 10 до 300, при этом подвижность электронов во внутренних слоях многослойной графеновой пленки составляет порядка 50×10³ см²/(В⋅с), а чувствительность холловского сопротивления к магнитному полю до 2,5 кОм/Тл. Металлические контакты датчика выполнены из сплава Cr/Au.

Физическими принципами, обеспечивающим достижение результатов, являются (1) сохранение высокой электронной подвижности (порядка 50×10³ см²/(В⋅с) при комнатной температуре) во внутренних слоях многослойной графеновой пленки, (скрученного графена), последовательный слои которой развернуты относительно друг друга, в т.ч. стабильность этой величины относительно адсорбции примесей на поверхности; (2) снижение объемной плотности тока при увеличении количества слоев и снижение выделяемой мощности в единице объема, приводящей к перегоранию структуры.

Сохранение высокой электронной подвижности в объемной структуре на уровне подвижности в идеальном однослойном графене связано с ослаблением ван-дер-Ваальсовых сил при взаимной угловой разориентации слоев. Стабильность подвижности относительно атмосферной контаминации связана с тем, что адсорбция примесей на поверхности многослойной графеновой структуры (будь то остатки резиста, пыль, отдельные газовые молекулы) снижает подвижность только в верхних приповерхностных слоях. То же относится к дефектам подложки: они снижают электронную подвижность лишь в нескольких нижних приповерхностных слоях. Электроны во внутренних слоях многослойной структуры не испытывают влияния примесей благодаря эффектам экранирования примесного потенциала. Экранирование достигается уже на масштабах одного-трех слоев, поэтому структуры с десятью слоями и более оказываются слабочувствительными к адсорбции примесей и дефектам и обладают универсально высокой подвижностью порядка 50×10³ см²/(В⋅с) при комнатной температуре.

Увеличение предельного тока на единицу ширины канала в датчике магнитного поля с многослойным графеном является следствием распределения заданного тока по всей высоте многослойной стопки. В свою очередь, это приводит к меньшему значению объемной плотности мощности джоулева тепла, что позволяет достигать больших предельных токов и больших абсолютных значений холловского напряжения.

Важно отметить, что для достижения технического результата отдельные атомарные слои в составе магнитно-чувствительной пленки из многослойного графена должны быть разориентированы по углам, т.е. отдельные слои в стопке должны быть последовательно развернуты относительно друг друга на определенные углы (углы скручивания). Это необходимо для ослабления вертикальных ван-дер-ваальсовых связей между слоями и сохранения высокой подвижности в каждом отдельном слое.

Подобные пленки, слои которых последовательно развернуты относительно друг друга на определенные углы (twisted multilayer graphene (tMLG)), получены при росте графена из газовой фазы с использованием ацетилена в качестве прекурсора и подслоя железа в качестве катализатора. Экспериментально установлено, что оптимальный диапазон углов разворота (углов скручивания) пленок из многослойного (скрученного) графена для достижения целей изобретения составляет 10-50 градусов.

Пленка из многослойного графена, для изготовленного датчика Холла, выращена так, что последовательные слои в ней развернуты относительно друг друга на углы в диапазоне от 20 до 26 градусов. Метод получения данной модификации графена описан в работе О. Kononenko с соавт., "Influence of numerous Moire superlattices on transport properties of twisted multilayer graphene," Carbon, том 194, стр. 52-61, (2022).

Таким образом, признаками, отличающими предлагаемый датчик магнитного поля от прототипа, является выполнение магнитно-чувствительной пленки из многослойного графена, последовательные слои которой развернуты относительно друг друга на углы в диапазоне от 10 до 50 градусов, с количеством слоев от 10 до 300, при этом датчик выполнен с подвижностью электронов во внутренних слоях многослойной графеновой пленки порядка 50×10³ см²/(В⋅с), металлические контакты датчика выполнены из сплава Cr/Au, и при этом датчик выполнен с чувствительностью холловского сопротивления к магнитному полю до 2,5 кОм/Тл.

Сущность изобретения поясняется чертежом на Фиг. 1, где

1 - многослойная пленка графена; 2, 3 - пара контактов для подачи постоянного тока; 4, 5 - пара контактов для регистрации напряжения Холла; 6 - источник тока; 7 - вольтметр для измерения напряжения Холла.

Магнитное поле В имеет компоненту, нормальную к плоскости графена.

Датчик Холла работает следующим образом.

К пленке многослойного графена (1) выполняется пара контактов (2, 3), через которые пропускается постоянный ток I_b, выдаваемый источником тока (6). В магнитном поле В, имеющем ненулевую компоненту по нормали к пленке, возникает эффект Холла. Это приводит к возникновению напряжения Vн между второй парой контактов (4, 5), которые расположены между токонесущими контактами. Возникающее постоянное напряжение между контактами (4) и (5) измеряется вольтметром (7). Форма пленки из многослойного графена может быть произвольной, как и конкретные места подключения контактов.

Выполнение пленки из многослойного графена в форме квадрата и подключение контактов по углам показано на Фиг. 1 в качестве варианта выполнения, и не ограничивает изобретение.

Пример реализации изобретения и достижения технического результата приведен на Фиг. 2 и Фиг. 3. На Фиг. 2 показана микрофотография изготовленного устройства с магнитно-чувствительной пленкой из многослойного графена, последовательные слои которого развернуты относительно друг друга на углы в диапазоне от 20 до 26 градусов и контактами, выполненными из сплава Cr/Au. На Фиг. 3 показана измеренная зависимость холловского сопротивления R_H=Vн/I_b от магнитного поля при комнатной температуре, наклон которой соответствует заявляемому значению 2,5 кОм/Тл.

Изобретение относится к области измерительной техники для измерения магнитных полей. Датчик Холла на основе многослойного графена содержит магнитно-чувствительную пленку из многослойного графена, размещенную на подложке, два металлических токоподводящих и два металлических измерительных контакта к ней. При этом в качестве магнитно-чувствительной пленки используют многослойный графен, последовательные слои которого развернуты относительно друг друга на углы в диапазоне от 10 до 50 градусов с количеством слоев от 10 до 300, при этом датчик выполнен с подвижностью электронов во внутренних слоях многослойной графеновой пленки порядка 50×10³ см²/(В⋅с), металлические контакты датчика выполнены из сплава Cr/Au, и при этом датчик выполнен с чувствительностью холловского сопротивления к магнитному полю до 2,5 кОм/Тл. Технический результат - повышение чувствительности холловского сопротивления к магнитному полю до 2,5 кОм/Тл, повышение чувствительности холловского напряжения при предельном токе (10 мА) до 80 В/Тл, обеспечение возможности работы при комнатной температуре и отсутствие необходимости инкапсуляции магнитно-чувствительного материала. 3 ил.

Датчик Холла на основе многослойного графена, содержащий магнитно-чувствительную пленку из многослойного графена, размещенную на подложке, два металлических токоподводящих и два металлических измерительных контакта к ней, отличающийся тем, что в качестве магнитно-чувствительной пленки используют многослойный графен, последовательные слои которого развернуты относительно друг друга на углы в диапазоне от 10 до 50 градусов с количеством слоев от 10 до 300, при этом датчик выполнен с подвижностью электронов во внутренних слоях многослойной графеновой пленки порядка 50×10³ см²/(В⋅с), металлические контакты датчика выполнены из сплава Cr/Au, и при этом датчик выполнен с чувствительностью холловского сопротивления к магнитному полю до 2,5 кОм/Тл.