本發(fā)明屬于磁阻器件領(lǐng)域，具體涉及一種基于硼修飾的單層石墨烯霍爾器件及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、磁阻（mr）反映了一種材料在外部磁場下的電阻變化，為磁傳感器、信息存儲器和硬盤驅(qū)動器等現(xiàn)代電子應(yīng)用提供了巨大的可能。這些設(shè)備的幾何縮小和指數(shù)級的性能提高加速了人們對各種新型功能材料的積極嘗試，特別是那些具有可切換的正負(fù)磁阻的低維材料。

2、石墨烯是蜂窩狀晶格排列的單層碳原子，具有獨(dú)特的狄拉克錐能帶結(jié)構(gòu)，對磁刺激高度敏感，成為探索不同磁阻現(xiàn)象的理想平臺。它可以應(yīng)用于磁傳感器，信息存儲等需要較高場敏感性以及可切換的正負(fù)磁阻性能的器件中。通常情況下，本征石墨烯表現(xiàn)為經(jīng)典的洛倫茲正磁阻。近年來報道了一些方法包括增加石墨烯層數(shù)，范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)、表面修飾、氫化、缺陷工程、無序等來提高正磁阻的上限，甚至將磁阻推向負(fù)值領(lǐng)域。但上述負(fù)磁阻高度依賴溫度，且主要在低溫下顯著，很少維持到室溫狀態(tài)（即低溫負(fù)磁阻，室溫正磁阻）；此外這些體系一旦采用了特定方法，磁阻的極性就會固定，幾乎沒有有效的手段可以使其在正負(fù)磁阻之間來回切換。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種基于硼修飾的單層石墨烯霍爾器件及其制備方法，制備得到的器件在外加磁場的作用下展現(xiàn)出室溫負(fù)磁阻現(xiàn)象，通過調(diào)節(jié)柵極電壓和外部磁場，可以在室溫下實(shí)現(xiàn)正負(fù)磁阻的切換。

2、為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、一種基于硼修飾的單層石墨烯霍爾器件的制備方法，包括以下步驟：

4、s1：通過機(jī)械剝離專用藍(lán)膠帶在硅片上機(jī)械解離單層石墨烯（gr）：預(yù)先使用氧等離子體系統(tǒng)在50w/50sccm/2min條件下清洗硅片；用藍(lán)膠帶粘少許塊狀石墨晶體覆蓋于硅片上；將被藍(lán)膠帶覆蓋的硅片置于加熱臺100℃加熱1?min，待冷卻后緩慢將藍(lán)膠帶揭開完成機(jī)械剝離，得到單層石墨烯結(jié)構(gòu)；

5、s2：單層石墨烯霍爾器件的制備：使用旋涂儀，在gr所在硅片表面以4000rmp/s旋涂1?min?pmma（聚甲基丙烯酸甲酯），隨后置于加熱臺170℃加熱2?min；再次以4000rmp/s旋涂1?min?pmma，隨后置于加熱臺180℃加熱5?min；利用場發(fā)射電鏡和電子束曝光系統(tǒng)完成霍爾幾何電極結(jié)構(gòu)的曝光，隨后將硅片置于顯影液（異丙醇：水=3:1）顯影30?s；利用電子束沉積設(shè)備，在硅片表面蒸鍍5nm?ti/60nm?au；將硅片浸泡于丙酮試劑，置于加熱臺65℃加熱，使未曝光區(qū)域的pmma攜帶金屬薄層脫落；將硅片浸泡于異丙醇試劑清洗5min，氮?dú)獯蹈?，至此gr霍爾器件完成；

6、s3：制備硼修飾的石墨烯霍爾器件：將單層石墨烯霍爾器件置于電子束蒸發(fā)系統(tǒng)（efm）的腔室中，腔室的真空度約為3.9×10-7?torr，將純度為99.999％的硼粉末置于坩堝中，在石墨烯霍爾器件為常溫的條件下蒸發(fā)硼粉，efm電子束電壓為1950?v，電子發(fā)射電流為55?ma，硼蒸發(fā)的流量約為50?na，蒸發(fā)時間約為8?min，使硼原子附著在石墨烯表面，得到硼修飾的單層石墨烯霍爾器件，

7、上述制備得到的硼修飾的單層石墨烯霍爾器件，石墨烯表面硼原子的厚度約為1.5?nm，石墨烯上方的金電極作為源/漏電極，si襯底作為柵極。

8、有益效果：本發(fā)明提供了一種基于硼修飾的單層石墨烯霍爾器件及其制備方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)勢：

9、（1）本發(fā)明首次提出硼修飾單層石墨烯的霍爾器件及其制備方法；

10、（2）本發(fā)明制備的基于硼修飾單層石墨烯的霍爾器件在外部磁場作用下表現(xiàn)出室溫負(fù)磁阻現(xiàn)象，通過調(diào)節(jié)柵極電壓及外部磁場，可實(shí)現(xiàn)室溫正負(fù)磁阻的切換；這種場調(diào)制的正負(fù)磁阻切換展現(xiàn)出了優(yōu)異的穩(wěn)定性，在200多個工作周期內(nèi)沒有任何衰減；

11、（3）本發(fā)明制備的基于硼修飾單層石墨烯的霍爾器件具有優(yōu)異的空氣穩(wěn)定性，在環(huán)境條件下暴露60天后，樣品依然保持穩(wěn)定的負(fù)磁阻性能及正負(fù)磁阻切換行為，為磁傳感器、信息存儲器等現(xiàn)代電子應(yīng)用提供了巨大的可能。

技術(shù)特征：

1.一種基于硼修飾的單層石墨烯霍爾器件的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于硼修飾的單層石墨烯霍爾器件的制備方法，其特征在于，s1具體步驟為：預(yù)先使用氧等離子體系統(tǒng)在50w/50sccm/2min條件下清洗襯底；用藍(lán)膠帶粘少許塊狀石墨晶體覆蓋于襯底上；將被藍(lán)膠帶覆蓋的襯底置于加熱臺100℃加熱1?min，待冷卻后緩慢地將藍(lán)膠帶揭開完成機(jī)械剝離，得到單層的石墨烯結(jié)構(gòu)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于硼修飾的單層石墨烯霍爾器件的制備方法，其特征在于，s2具體步驟為：在石墨烯所在襯底表面旋涂pmma，于170℃加熱2?min；再次旋涂pmma，于180℃加熱5?min；利用場發(fā)射電鏡和電子束曝光系統(tǒng)完成霍爾幾何電極結(jié)構(gòu)的曝光，隨后將硅片顯影30?s；利用電子束沉積設(shè)備，在襯底表面蒸鍍5nm?ti/60nm?au；處理使未曝光區(qū)域的pmma攜帶金屬薄層脫落，清洗吹干，得到單層石墨烯霍爾器件。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于硼修飾的單層石墨烯霍爾器件的制備方法，其特征在于，旋涂速率為4000rmp/s。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于硼修飾的單層石墨烯霍爾器件的制備方法，其特征在于，使未曝光區(qū)域的pmma攜帶金屬薄層脫落的處理為：將襯底浸泡于丙酮試劑，置于加熱臺65℃加熱，使未曝光區(qū)域的pmma攜帶金屬薄層脫落。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于硼修飾的單層石墨烯霍爾器件的制備方法，其特征在于，s3具體步驟為：將單層石墨烯霍爾器件置于電子束蒸發(fā)系統(tǒng)的腔室中，腔室的真空度約為3.9×10-7?torr，將純度為99.999％的硼粉末置于坩堝中，在石墨烯霍爾器件為常溫的條件下蒸發(fā)硼粉，使硼原子附著在石墨烯表面。

7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的基于硼修飾的單層石墨烯霍爾器件的制備方法，其特征在于，電子束蒸發(fā)的電子束電壓為1950?v，電子發(fā)射電流為55?ma，硼蒸發(fā)的流量約為50?na，蒸發(fā)時間約為8?min。

8.權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的方法制備得到的基于硼修飾的單層石墨烯霍爾器件，其特征在于，所述器件中硼原子以共價方式附著在石墨烯表面。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于硼修飾的單層石墨烯霍爾器件，其特征在于，石墨烯表面硼原子的厚度為1.5?nm。

10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于硼修飾的單層石墨烯霍爾器件，其特征在于，所述器件中石墨烯上方的金電極作為源/漏電極，si襯底作為柵極。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于硼修飾的單層石墨烯霍爾器件及其制備方法，屬于磁阻器件領(lǐng)域，本發(fā)明將單層石墨烯置于SiO<subgt;2</subgt;/Si襯底上，在石墨烯上方制作多個金電極作為源/漏電極，Si襯底作為柵極，得到石墨烯霍爾器件；再利用電子束蒸發(fā)技術(shù)在石墨烯表面沉積硼原子，使硼原子附著在石墨烯表面，得到硼修飾的單層石墨烯霍爾器件。制備得到的硼修飾的單層石墨烯霍爾器件在外加磁場的作用下展現(xiàn)出室溫負(fù)磁阻現(xiàn)象，通過調(diào)節(jié)柵極電壓和外部磁場，可以在室溫下實(shí)現(xiàn)正負(fù)磁阻的切換，并且同時具備優(yōu)異的空氣穩(wěn)定性。

技術(shù)研發(fā)人員：劉衍朋,戎容,林繁榮,王琴
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京航空航天大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/10