CN105980872A - 石墨烯基磁阻传感器 - Google Patents

Abstract

提供一种石墨烯结构。石墨烯结构包括衬底层和设置在衬底层上的至少两层石墨烯层。该至少两层石墨烯层包括栅电压调谐层和有效石墨烯层，并且有效石墨烯层包括一个或多个石墨烯层。石墨烯结构的磁阻比率由栅电压调谐层和有效石墨烯层之间的电荷迁移率和/或载流子密度的差确定。栅电压调谐层的电荷迁移率和/或载流子密度可以由施加至石墨烯结构的栅电压调谐。还提供一种包括石墨烯结构的磁场传感器。

Description

石墨烯基磁阻传感器

优先权

本申请要求2013年12月27日递交的美国专利申请No.61/964,268的优先权。

技术领域

本发明大体涉及磁阻传感器，并且更具体地涉及石墨烯基磁阻传感器。

背景技术

在日常生活中，诸如霍尔传感器和磁阻传感器的磁性传感器被广泛用作冰箱、移动电话、洗衣机和笔记本电脑等中的速度传感器、位置传感器。

霍尔电阻在外部磁场下改变的霍尔传感器通常利用诸如硅、InAs、GaAs和InSb的半导体。基于硅的霍尔传感器适用于单片集成电路，但是由于载流子的低迁移率而具有低的灵敏度，灵敏度被定义为针对单位磁场产生的电压(mV/mT)。基于InSb半导体的霍尔传感器由于大约40000cm²/(V·s)的高迁移率而具有高灵敏度，但是这个高迁移率需要昂贵的微米厚的膜。而且，这些InSb基霍尔传感器针对单位温度改变度数具有不期望的大的电阻改变，即具有高的电阻温度系数。此外，在中等磁场和高磁场中，霍尔传感器具有相对较高的灵敏度；然而，在低磁场中灵敏度很低。

已完成了对磁阻传感器的可用性、低能耗、和低成本的研究。磁阻测量在外部磁场下的材料的电阻的变化。这个重要的技术特征以从磁性硬盘媒体读取数据促成了信息存储产业的成功。包含具有磁阻的材料的读取头对低(杂散)磁场极其敏感。磁阻传感器在低磁场中具有高灵敏度。然而，磁阻传感器(特别是各向异性磁阻传感器)受交叉场误差的折磨，并且不适用于检测大的场。

因此，需要的是在低磁场和高磁场中都具有高灵敏度、且具有低电阻温度系数和低成本的磁性传感器。并且，由于其紧凑性和成本效率，薄膜基传感器比大块传感器更为优选。此外，结合本公开的附图和背景技术，其他预期的特征和特性将从随后的具体实施方式和所附权利要求变得显而易见。

发明内容

根据第一方面，提供一种石墨烯结构。该石墨烯结构包括衬底层和设置在衬底层上的至少两层石墨烯层。该至少两层石墨烯层包括栅电压调谐层和有效石墨烯层，并且有效石墨烯层包括一个或多个石墨烯层。石墨烯结构的磁阻比率由栅电压调谐层和有效石墨烯层之间的电荷迁移率和/或载流子密度的差确定。栅电压调谐层的电荷迁移率和/或载流子密度可以由施加至石墨烯结构的栅电压调谐。

根据第二方面，提供一种磁场传感器。该磁场传感器包括衬底层和设置在衬底层上的至少两层石墨烯层。该至少两层石墨烯层具有制造于其上的电极。该至少两层石墨烯层包括栅电压调谐层和有效石墨烯层，并且有效石墨烯层包括一个或多个石墨烯层。石墨烯结构的磁阻比率由栅电压调谐层和有效石墨烯层之间的电荷迁移率和/或载流子密度的差确定。栅电压调谐层的电荷迁移率和/或载流子密度可以由通过电极施加至石墨烯结构的栅电压调谐。

附图说明

在附图中，相同的附图标记表示贯穿分开的图中的相同的或功能相似的元件，附图与以下的详细描述一同并入说明书并且成为说明书的一部分，附图用于示出各种实施方式以及解释根据本实施方式的各种原理及优点。

图1(a)描述根据本实施例的具有电极的多层石墨烯基磁阻传感器的示意图；图1(b)描述根据本实施例的图1(a)中的石墨烯基磁阻传感器所包括的石墨烯结构的分解图。

图2描述根据本实施例的图1中的石墨烯基磁阻传感器在不同载流子密度n和电荷迁移率μ的情况下作为外部磁场的函数的磁阻行为的理论模拟图。

图3(a)描述在氮化硼和SiO₂衬底上制造的4层石墨烯传感器的光学显微图；图3(b)描述具有氮化硼衬底的传感器的源电压(V_dS)在从-25V至25V的栅电压(VQ)下作为漏源电流(Id_S)的函数的图；图3(c)描述具有氮化硼衬底的传感器在400K的温度下且在无磁场和在9T的垂直外部磁场下作为背栅电压的函数的电阻图。

图4描述SiO₂衬底上的(a)5层石墨烯样品和(b)5至6层石墨烯样品在从1.9K至300K的温度下作为外部磁场(H)的函数的磁阻图。

图5(a)描述氮化硼衬底上的4层石墨烯结构样品在400K的温度下、在从-25V至25V的栅电压下作为外部磁场的函数的磁阻图；图5(b)描述硅/SiO₂衬底上的4层石墨烯样品在400K的温度下、在从-25V至25V的栅电压下作为外部磁场的函数的磁阻图；图5(c)描述霍尔电阻率(ρ_xy)在400K的温度下、在从-25V至25V的栅电压下的垂直外部磁场的函数的图。

图6(a)描述10层CVD石墨烯样品在300K的温度下作为顶栅电压的函数的电阻图；图6(b)描述在140K的温度下、在从-1.6V至2.0V的顶栅电压下作为外部磁场的函数的磁阻图；图6(c)描述在300K的温度下、在从-60V至100V的背栅电压下作为外部磁场的函数的磁阻图。

图7(a)描述氮化硼衬底上的5-6层石墨烯样品在2K、300K和400K的温度下作为外部磁场的函数的磁阻图；图7(b)描述在2K、300K和400K的温度下作为从平面外(θ＝0°)至平面内(θ＝90°)经过360°的外部磁场的角度的函数的电阻率图；图7(c)描述在从50K至400K的温度下由非局部测量获得的作为外部磁场的函数的磁阻图。

技术人员将领会的是附图中的元件被简化和清晰的示出，并且没有必要按比例描述。例如，示意图中的一些元件的尺寸可以关于其他元件放大，以助于提高对本实施例的理解。

具体实施方式

以下具体实施方式实质上仅是示例性的，并且不旨在限制本发明或本发明的应用和使用。此外，并不旨在受到之前的本发明背景技术或下面的具体实施方式中出现的任何理论的约束。本实施例旨在呈现新颖的多层石墨烯基磁阻传感器。该多层石墨烯基磁阻传感器在低磁场中和高磁场中均提供高灵敏度。此外，该多层石墨烯基磁阻传感器几乎与温度无关，并且因此在通常400K的工作温度下不需要温度漂移校正电路。最后，本多层石墨烯基磁阻传感器示出在不同的栅电压下的可调磁阻。多层石墨烯结构还旨在包括于优选这些特性的设备中。

参见图1(a)，根据本实施例描述多层石墨烯基磁阻传感器100。石墨烯由以蜂巢形布置的单层碳原子组成。多层石墨烯是以六角形周期晶格布置的单层碳原子的叠层。可以理解的是，在本实施例中，使用多层石墨烯；然而，在一些其他实施例中，可以使用单层或多层石墨烯氧化物、单层或多层石墨烯复合物或者单层或多层石墨烯衍生物。多层石墨烯基磁阻传感器100包括在基底层106和电极110上的石墨烯结构120。基底层106可以是重掺杂硅。基底层106可以是柔性片。石墨烯结构120的分解图被示出在图(1)(b)中。石墨烯结构120包括衬底129上的四个石墨烯层122、124、126和128。可以理解的是，虽然这里示出了四个石墨烯层，但是可以使用不同数目的石墨烯层，例如3层、5层或6层。衬底129可以包括硅/二氧化硅衬底、或氮化硼衬底等。包括112、114、116和118的电极110被平行放置在石墨烯结构120顶上、并且与顶部石墨烯层接触，以使石墨烯结构位于电极110和衬底129之间。可以通过将两个电极连接至电压并且将其他两个电极连接至电流进行测量。例如，最远的两个电极112和118可以连接至电流，并且电极114和116可以连接至电压。此外，最近的两个电极112和114可以连接至电流，并且电极116和118可以连接至电压，这被称为非局部测量。电极可以包括Cr和/或Au。

多层石墨烯可以通过从凝析石墨(Kish graphite)剥落多层石墨烯制备或者通过化学气相沉积(CVD)技术制备。随着CVD技术的发展，大面积的多层石墨烯样品可以被轻易地制备，这使得本磁阻传感器工业上可行。

在存在外部磁场和电场的情况下，多层石墨烯基磁阻传感器的传输行为已经被理论认知。在此理论认知中，石墨烯结构被假定为包括两个石墨烯层，并且每个层均具有三维(3D)载流子密度n_i＝1,2以及电荷迁移率μ_i＝1,2。这两个石墨烯层被认知为是二维(2D)膜。假定用于电传导的Drude模型适用于此处，在不存在磁场的情况下，石墨烯结构的电导率(σ)通过下式给出：

σ_D,i＝en_iμ_i (1)

在存在沿着垂直于膜平面的z轴的磁场B和沿着膜平面中的x轴的电场E的情况下，薄膜的3D电流密度(J)由下式给出：

$\stackrel{\→}{J}={\stackrel{\→}{\mathrm{\σ}}}_i\stackrel{\→}{E}---\left(2\right)$

其中是电导率张量。

在Drude模型中，可以推导出：

${\mathrm{\σ}}_{xx,i}={\mathrm{\σ}}_{yy,i}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{D,i}}{1+{\left({\mathrm{B\μ}}_i\right)}^2}=\frac{{\mathrm{en}}_i{\mathrm{\μ}}_i}{1+{\left({\mathrm{B\μ}}_i\right)}^2}---\left(3\right)$

${\mathrm{\σ}}_{xy,i}={\mathrm{\σ}}_{yx,i}=\frac{{\mathrm{B\μ}}_i{\mathrm{\σ}}_{D,i}}{1+{\left({\mathrm{B\μ}}_i\right)}^2}=\frac{{\mathrm{eBn}}_i{\mathrm{\μ}}_i^2}{1+{\left({\mathrm{B\μ}}_i\right)}^2}---\left(4\right)$

如果两层石墨烯层被放在一起，则因为两层石墨烯层在相同的电场下，所以流过石墨烯结构的总电流将为：

$\stackrel{\→}{J}={\stackrel{\→}{j}}_1+{\stackrel{\→}{j}}_2=({\mathrm{\σ}}_1+{\mathrm{\σ}}_2)\·\stackrel{\→}{E}---\left(5\right)$

也就是说，2层石墨烯结构的总电导率是：

σ＝σ₁+σ₂ (6)这可以与两个并联电阻的情况相比，只不过此处是两个张量之和，而不是两个标量之和。电阻率张量通过对电导率张量求逆而获得：ρ＝σ^-1并且给出：

${\mathrm{\ρ}}_{xx}={\mathrm{\ρ}}_{yy}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{xx}}{{\mathrm{\σ}}_{xx}^2+{\mathrm{\σ}}_{xy}^2}---\left(7\right)$

${\mathrm{\ρ}}_{xy}=-{\mathrm{\ρ}}_{yx}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{xy}}{{\mathrm{\σ}}_{xx}^2+{\mathrm{\σ}}_{xy}^2}---\left(8\right)$

将方程(3)、方程(4)和方程(6)带入方程(7)和方程(8)，样品的电阻率通过下式给出：

${\mathrm{e\ρ}}_{xx}=\frac{\frac{n_1{\mathrm{\μ}}_1}{1+B^2{\mathrm{\μ}}_1^2}+\frac{n_2{\mathrm{\μ}}_2}{1+B^2{\mathrm{\μ}}_2^2}}{{(\frac{n_1{\mathrm{\μ}}_1}{1+B^2{\mathrm{\μ}}_1^2}+\frac{n_2{\mathrm{\μ}}_2}{1+B^2{\mathrm{\μ}}_2^2})}^2+B^2{(\frac{n_1{\mathrm{\μ}}_1^2}{1+B^2{\mathrm{\μ}}_1^2}+\frac{n_2{\mathrm{\μ}}_2^2}{1+B^2{\mathrm{\μ}}_2^2})}^2}---\left(9\right)$

${\mathrm{e\ρ}}_{xy}=B\frac{\frac{n_1{\mathrm{\μ}}_1^2}{1+B^2{\mathrm{\μ}}_1^2}+\frac{n_2{\mathrm{\μ}}_2^2}{1+B^2{\mathrm{\μ}}_2^2}}{{(\frac{n_1{\mathrm{\μ}}_1}{1+B^2{\mathrm{\μ}}_1^2}+\frac{n_2{\mathrm{\μ}}_2}{1+B^2{\mathrm{\μ}}_2^2})}^2+B^2{(\frac{n_1{\mathrm{\μ}}_1^2}{1+B^2{\mathrm{\μ}}_1^2}+\frac{n_2{\mathrm{\μ}}_2^2}{1+B^2{\mathrm{\μ}}_2^2})}^2}---\left(10\right)$

考虑两种情况。在第一种情况中，磁场B被设置为零，即，不存在磁场。以下电阻率从方程(9)和(10)给出：

${\mathrm{\ρ}}_{xx,0}=\frac{1}{e(n_1{\mathrm{\μ}}_1+n_2{\mathrm{\μ}}_2)}---\left(11\right)$

ρ_xy＝0 (12)

注意在这种情况下，如果第一层的电导率(σ₁)比第二层的电导率(σ₂)大很多，即则从方程(11)获得ρ_xx,0＝1/(en₁μ₁)。这表示2层石墨烯结构的电阻率由第一层的电荷迁移率(μ₁)和载流子密度(n₁)确定，第一层是导电性最强的层。

在第二种情况中，磁场B被设置为比第一层的电荷迁移率(μ₁)和第二层的电荷迁移率(μ₂)大很多。以下的电阻率从方程(9)和(10)给出，

${\mathrm{\ρ}}_{xx,\mathrm{\∞}}=\frac{n_1{\mathrm{\μ}}_2+n_2{\mathrm{\μ}}_1}{{\mathrm{e\μ}}_1{\mathrm{\μ}}_2(n_1+n_2)}---\left(13\right)$

${\mathrm{\ρ}}_{xy,\mathrm{\∞}}\≈\frac{B}{e(n_1+n_2)}---\left(14\right)$

如果两层使得n₂μ₁>＞n₁μ₂，则方程(11)变为：

${\mathrm{\ρ}}_{xx,\mathrm{\∞}}\≈\frac{n_2}{n_1+n_2}\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_2}---\left(15\right)$

方程(15)表示2层石墨烯结构的电阻率由第二层的电荷迁移率(μ₂)确定，第二层是导电性最差的层。

总之，在不施加磁场的情况下，2层石墨烯结构的电阻率由导电性最强的层的电荷迁移率确定，而在施加相对大的磁场的情况下，2层石墨烯结构的电阻率由导电性最差的层的电荷迁移率确定。包括超过两层的石墨烯结构可以被视作两个有效层，其中在背栅结构中的底部(即，具有可调电荷迁移率)的层为第一层，并且其他层作为整体被视作第二层。这使得多于两层的石墨烯结构成为2层的有效叠层。因此，理论认知将同样适用于那些多于2层的石墨烯结构。

最大磁阻可以通过下式获得：

${\mathrm{MR}}_{\mathrm{\∞}}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{xx,\mathrm{\∞}}-{\mathrm{\ρ}}_{xx,0}}{{\mathrm{\ρ}}_{xx,0}}=\frac{n_1{n}_2}{{(n_1+n_2)}^2}\frac{{({\mathrm{\μ}}_1-{\mathrm{\μ}}_2)}^2}{{\mathrm{\μ}}_1{\mathrm{\μ}}_2}---\left(16\right)$

在的情况下，磁阻由下式给出：

方程(13)表示通过调节第一层的电荷迁移率与第二层的电荷迁移率之间的差，磁阻能够是任意大的。

现在参见图2，两层石墨烯结构的电阻率的模拟结果使用电荷迁移率和载流子密度的不同参数描述。图2(a)和图2(b)示出了一旦施加磁场，电阻率就从零增大至最大值。在图2(a)中，以下参数被使用：n₁＝1×10¹¹cm^-2、n₂＝1×10¹⁰cm^-2、μ₁＝1×10⁴cm²/(V·s)、μ₂＝1×10³cm²/(V·s)，并且如图220可见，最大电阻率超过10kΩ。在图2(a)中，以下参数被使用：n₁＝1×10¹¹cm^-2、n₂＝1×10¹⁰cm^-2、μ₁＝5×10⁴cm²/(V·s)、μ₂＝1×10³cm²/(V·s)，并且如图240可见，最大电阻率超过6kΩ。

图2(c)示出了随着磁场从零增大至大约1T，电阻率从零增至最大值；而图2(d)示出了随着磁场从零增大至大约0.001T，电阻率从零增至最大值。这提供了低磁场下的高灵敏度。在图2(c)中，以下参数被使用：n₁＝1×10¹²cm^-2、n₂＝1×1011cm^-2、μ₁＝1×10⁴cm²/(V·s)、μ₂＝1cm²/(V·s)，并且如图260可见，最大电阻率超过100kΩ。第一层的电荷迁移率(μ₁)是第二层的电荷迁移率(μ₂)的大约10⁴倍。可以通过用于图2(c)的参数获得高达8.6×10⁴％的磁阻。在图2(d)中，以下参数被使用：n₁＝1.1×10¹¹cm^-2、n₂＝1×10¹¹cm^-2、μ₁＝1.4×10⁵cm²/(V·s)、μ₂＝3×10³cm²/(V·s)，并且如图280可见，最大电阻率超过4kΩ。第一层的电荷迁移率(μ₁)是第二层的电荷迁移率(μ₂)的大约470倍。可以通过用于图2(d)的参数获得高达1000％的磁阻。可以看出，石墨烯结构的磁阻由多层石墨烯层的电荷迁移率的差确定，并且因此可以通过改变多层石墨烯的电荷迁移率的差而操纵石墨烯结构的磁阻。

即使在低磁场下，也可以由于电阻率突然改变而获得大磁阻。从图2示出的结果可以推论出第一层相对于第二层的较大迁移率或较低载流子密度对于在低磁场下获得高磁场灵敏度是必不可少的，其中第一层的电荷迁移率和载流子密度在栅电压下可调。电荷迁移率可以通过使用更干净或更平坦的减小带电杂质的扩散的衬底来提高，例如氮化硼衬底。载流子密度可以通过调谐施加至石墨烯结构的栅电压来调节。特别地，在栅电压处于存在相等数目的电子和空穴的电荷中性点(CNP)时，石墨烯结构的载流子密度处于其最小值。根据石墨烯结构的特性，在CNP处载流子密度的数量级是～10¹⁰-10¹¹cm^-2。可从Drude电导率模型计算电荷迁移率。在CNP处电荷迁移率是最高的，并且电荷迁移率在CNP的两侧上降低。在其CNP处，石墨烯结构的电荷迁移率能够高于10,000cm²/(V·s)。根据上面讨论的理论预测，在栅电压接近CNP时，磁阻的大小以及磁场的检测限应当增大。

参见图3(a)，示出了制造的多层石墨烯磁阻传感器的光学显微图320。传感器通过两步机械力转移工艺制备，并且具有4层石墨烯层。传感器包括两个石墨烯结构302和304。灰区302是具有氮化硼衬底的石墨烯结构，而暗区304是具有硅/氧化硅衬底的石墨烯结构。包括四个部分的亮区312是用于具有氮化硼衬底的石墨烯结构的Cr/Au电极。包括四个部分的亮区314是用于具有硅/氧化硅衬底的石墨烯结构的Cr/Au电极。此处的石墨烯结构包括4个层。

具有氮化硼衬底的4层石墨烯结构和电极之间的接触通过测量源电压与源-漏电流来测试。结果被示出为图3(b)中的图340。在400K的温度下，针对从-25V至25V的全部栅电压，可以看出线性关系，这暗示了4层石墨烯结构和电极之间的欧姆接触。对应于最大电阻率的最大斜率在石墨烯结构的CNP附近的5-15V的背栅电压处获得。CNP是宽的，这可能与多层石墨烯的不同带隙结构和多层石墨烯中的费米表面(Fermi surfaces)的热涂有关。由于电荷屏蔽效应，当石墨烯的层数目增加时，电场效应被预期为衰减。在高达6层时，结果显示电场效应仍然是显著的。

参见图3(c)，在400K的温度下、在与4层石墨烯结构的平面垂直的0T和9T的外部磁场下，具有氮化硼衬底的4层石墨烯结构的电阻图360被描述为背栅电压的函数。从图3(c)可清楚地看到，施加的磁场增加电荷载流子的电阻，这在全部栅电压下导致正磁阻。虽然在全部栅电压下看到了电阻增加，但是由于较低的载流子密度和较大的迁移率，更大的改变在CNP附近看到，这支持上面讨论的理论认知。30kΩ的最大电阻率是在9T的磁场下大约5V的背栅电压下获得的。

以下描述石墨烯结构的磁阻的温度依赖性。此处，由透明胶带技术制备的石墨烯结构样品包括SiO₂衬底上的5层或5-6层的石墨烯层。包括石墨烯结构的磁阻传感器具有通常20×5μm²的样品尺寸。电阻使用具有Cr(5nm)/Au(80nm)接触的线性四探针几何图形测量。参见图4(a)，5层石墨烯结构样品的磁阻图420在从1.9K至300K的温度下被描述为外部磁场(H)的函数。未施加栅电压并且电流为30μΑ。要注意的是，磁阻与电流无关。可以看出，在2T至8T范围的磁场下，较低温度下的磁阻略大于较高温度下的磁阻。然而，关于不同温度的磁阻的差不显著，并且5层石墨烯结构的磁阻温度依赖性较弱。在几乎所有温度下，包括在300K的室温下，500％的巨磁阻在9T的磁场下获得。此巨磁阻将提供磁阻传感器的高灵敏度。在图4(b)中，在从1.9K至300K的温度下，5至6层石墨烯结构样品的磁阻图440被描述为外部磁场的函数。不同温度的磁阻几乎相互重叠，表示传感器的温度独立特性。此温度独立性转而将提供很小的电阻温度系数(TCR)值。TCR是确定传感器的实际使用的重要参数，因为大的TCR暗示针对给定温度差的大的电阻漂移，并且因此暗示额外地需要用于温度校正的电路。因此，不需要用于本磁阻传感器的电路。在几乎所有温度下，包括在300K的室温下，1000％的巨磁阻在9T的磁场下获得。可以理解的是，在本实施例中，石墨烯结构具有SiO₂衬底；然而，在一些其他实施例中，石墨烯结构可以具有另一种类型的衬底，例如氮化硼。将在以下结合图7(a)看出，具有氮化硼衬底的4层石墨烯结构的磁阻针对从300K至400K范围的温度提供小的TCR。

现在，将结合图5描述在400K的温度下石墨烯结构的磁阻特性。400K是用于磁阻传感器的通常工作温度，并且在此温度下的石墨烯基磁阻传感器还未公开。参见图5(a)，在氮化硼衬底上具有4个石墨烯层的石墨烯结构样品的磁阻图520在从-25V至25V的栅电压(VG)下被描述为外部磁场的函数。清楚的是，在全部磁场下，最大磁阻在栅电压在CNP附近时获得。大约880％的最大磁阻在9T的磁场下获得。在CNP处，低磁场下的磁阻图是抛物线/二次方程；然而，磁阻图在高磁场下是线性的、没有饱和的迹象。随着栅电压被调谐出CNP，磁阻在CNP的任一侧上降低。这提供了关于栅电压的可调磁阻。在V_G＝-25V处，9T磁场下的磁阻为～130％。磁阻相对于磁场的特性类似于CNP附近的特性，磁阻示出在较高磁场下的饱和行为。因此，即使在-25V的栅电压下施加较高磁场，磁阻也不能进一步增大。

参见图5(b)，在SiO₂衬底上具有4个石墨烯层的石墨烯结构样品的磁阻图540在400K的温度下、在从-25V至25V的栅电压(VG)下被描述为外部磁场的函数。清楚的是，具有SiO₂衬底的石墨烯结构的磁阻比具有如图5(a)所示的氮化硼衬底的石墨烯结构的磁阻小很多。这可能是由于具有SiO₂衬底的石墨烯结构的迁移率的降低。氮化硼衬底的使用通过减少衬底中的带电杂质而提高迁移率。然而，具有SiO₂衬底的石墨烯结构的磁阻具有与如图5(a)所示的具有氮化硼衬底的石墨烯结构的磁阻类似的趋势。这暗示了多层石墨烯的固有特性负责磁阻的特性。CNP是电阻率或电阻与栅电压的图中的最大点。在这种情况下，CNP轻微移动至比氮化硼上的石墨烯更高的栅电压，这清楚的指出由于电荷不均匀的差导致的贴附至衬底的石墨烯的表面的不同反应。在任何情况下，栅电压可调谐磁阻。

参见图5(c)，霍尔电阻率(p_xy)的图560在400K的温度下、在从-25V至25V的栅电压下被描述为外部磁场的函数。在这种情况下，磁场被垂直于石墨烯层平面施加。因为磁场垂直于石墨烯结构的平面，所以由任何几何效应产生的MR贡献从测量的霍尔电阻率移除。霍尔电阻率在不同栅电压下示出非线性行为暗示来自具有不同电荷迁移率和载流子密度的不同石墨烯层的贡献。此贡献也可以从两个有效层考虑，一个层是栅电压调谐层，而另一个有效层是作为整体的其他层。本领域技术人员将意识到虽然栅电压调谐层通常是两个或多个石墨烯层的底层；其也能够是两个或多个石墨烯层的顶层。在CNP上方的栅电压下，电阻率曲线示出负斜率，暗示了多数载流子是电子。在CNP以下的栅电压下，从正斜率证明了多数载流子是空穴。在CNP处，在全部磁场下，电阻率基本为零。

参见图6(a)，通过CVD制备的10层石墨烯结构样品的电阻图620在300K的温度下被描述为顶栅电压的函数。在这个测量期间，未施加磁场。除了在顶部上的四个电极之外，磁阻传感器被制造为具有一个顶栅电极和一个底栅电极的顶栅和底栅。底栅通过将10层石墨烯结构设置在SiO₂(300nm)/Si(重掺杂)衬底之上而制成，并且用银膏连接重掺杂Si衬底。顶栅通过使用与顶栅电极接触的液体电解质制成。因为液体电解质在结构上接近于石墨烯，所以侧电极有效地起顶栅一样的作用。1nm厚的双层电容器被形成在石墨烯层和液体电解质之间，引入大电容(单位面积电容C＝kε₀/d，其中k是介电常数，并且d是石墨烯层和液体电解质之间的厚度)。由于电容器的形成，液体电解质有效地在石墨烯中产生大的载流子密度。电阻在CNP处示出最大值，并且其示出在CNP的任一侧上的急剧下降。电阻率的迟滞现象是因为电荷在石墨烯层和电极之间的界面处被捕获。可以看出，此处的迟滞现象比图3(c)中的迟滞现象严重，这表示在10层CVD样品中更多电荷在此处被捕获。载流子密度(n)在CNP的两侧线性增加。

参见图6(b)，磁阻图640在140K的温度下、在从-1.6V至2.0V的顶栅电压下被描述为外部磁场的函数。清楚的是，磁阻在CNP附近最大。在300K下，不同顶栅电压下的磁阻(未示出)非常类似于其在140K下的磁阻，但是磁阻的大小稍微增加。图6(c)描述了在300K的温度下、在从-60V至100V的背栅电压下，作为外部磁场的函数的磁阻的图660。可以看到与顶栅配置的趋势类似的趋势；然而，磁阻的大小稍高，这可能是顶部表面比底部敏感得多的环境效应引起的迁移率差导致的结果。要注意的是，在顶栅CVD石墨烯样品中接近100％的磁阻值以及在背栅CVD样品中200％的磁阻值相比如图5中示出的透明胶带样品的磁阻值低很多。这是由于CVD石墨烯(与其中迁移率高很多的剥离(透明胶带)石墨烯样品相比)的低迁移率。

参见图7(a)，氮化硼衬底上的5-6层石墨烯样品的磁阻图720在2K、300K和400K的温度下被描述为外部磁场的函数。此处未施加栅电压。在400K下～2000％的最大磁阻在9T的磁场下获得。随着样品被冷却至300K，磁阻作为磁场的函数，磁阻基本保持未变。这暗示样品在此温度范围具有非常小的TCR。出人意料地，在样品被冷却至2K时，在9T磁场下，磁阻增大至非常大的值～6000％。在低温下的这种大量增大可以暗示量子效应的出现。

参见图7(b)，电阻率图740在2K、300K和400K的温度下被描述为外部磁场的方向角的函数。磁阻在相对于样品平面的不同的磁场方向下测量。在9T的恒定磁场下，磁场方向在完整的360°的循环中从平面外(θ＝0°)改变至平面内(θ＝90°)。由于洛伦兹力，在磁场垂直于样品平面(即，在θ＝0°、180°和360°)时，磁阻是最大的。洛伦兹力被定义为其中q是载流子的电荷，v是沿着电流方向的平面内速度，并且H是磁场强度。在磁场垂直于样品平面时，洛伦兹力最大，这导致石墨烯平面中带电粒子的偏转并产生最大磁阻。在400K和300K，磁阻遵循与证明洛伦兹力角色的角度成余弦关系，此处的磁阻被称为经典磁阻。然而，在2K的温度下，磁阻偏离简单的余弦行为，并且具体而言，磁阻在磁场处于θ＝90°和θ＝180°附近时增大。此偏离强烈地指向额外的磁阻贡献的存在，最可能的是，磁阻的量子起源。因此，与量子起源相关的磁阻被称为量子磁阻。在400K，只有经典磁阻存在于石墨烯结构中，并且在2K，由于偏离最小，所以经典磁阻占主导地位。与在300K和400K下的5300％的经典磁阻相比，从余弦拟合计算得到的2K下量子相关磁阻仅仅是～700％。因此，这可由于磁阻的量而清楚地区分经典磁阻和量子磁阻贡献。此外，作为石墨烯平面内磁场方向的函数的磁阻测量示出在石墨烯平面内磁场方向的整个范围中的可以忽略不计的磁阻，这是因为石墨烯层的厚度非常薄，以致于洛伦兹力对电阻没有任何影响。这进一步证实晶格平面与带电粒子的相互作用产生经典洛伦兹力诱导磁阻。

参见图7(c)，磁阻图在从50K至400K的温度下被描述为由非局部测量获得的外部磁场的函数。为了提高石墨烯传感器的低磁场灵敏度，已经实施了电阻的非局部测量。出人意料地，在50K，非局部磁阻非常大，达到～35000％。在8T磁场下，在针对实际应用的400K下，非局部磁阻仍然非常大，为～2500％。在20mT的场范围中，低磁场下的磁场灵敏度为0.05mV/mT，这比得上现有设备，然而，由于与InSb基设备中的微米相比，石墨烯材料厚度仅为几纳米，因此石墨烯可以提供有成本效益的设备。利用大面积化学气相沉积技术(CVD)的优势，传感器可以容易地扩展为满足市场需求。

因此，根据本实施例，提供有利的石墨烯结构和包括该石墨烯结构的磁阻传感器。在400K，从氮化硼衬底上的多层石墨烯结构观察到～2000％的巨磁阻。磁阻可被栅电压调谐。这为传感器提供了附加功能。在300至400K的温度范围中，石墨烯结构具有弱的温度依赖性。这解决了现有磁性传感器中的温度漂移问题。在2K至400K的温度范围中，因为具有非常小的来自量子效应的贡献，所以经典磁阻占主导。由于提高的迁移率，与SiO₂衬底上的石墨烯结构相比，氮化硼衬底上的石墨烯结构显著地增大了磁阻。这提供了低磁场和高磁场中的高灵敏度传感器。磁阻测量的非局部方式显著地提高了对于低磁场的综合灵敏度，使得层状材料对下一代传感设备是非常有前途的。此外，石墨烯基磁阻传感器检测垂直于样品平面的磁场，并且对于平面内磁场，灵敏度是弱的，因此减小了交叉场误差的可能性。磁阻传感器具有潜在的垂直磁性记录应用和潜在的磁场传感应用(位置传感器、速度传感器等)。此外，石墨烯基磁阻传感器是有成本效益的，这是因为石墨烯可以从不同的源获取，诸如食物、昆虫和垃圾。此外，1nm的多层石墨烯比微米厚的InSb便宜很多。最后，石墨烯被容易地转移至包括塑料的任何衬底，而InSb需要在GaAs衬底上的外延生长。虽然示例性实施例被呈现在本发明的上述具体实施方式中，但是应当意识到的是存在大量变形。例如，本领域技术人员将从此处的教导意识到本技术还可以被应用于角度传感、位置传感、光学泵浦、核进动或超导量子干涉设备(SQUID)。

应当进一步意识到的是，示例性实施例仅为示例，并且不旨在以任何方式限制本申请的范围、适用性、操作和配置。相反，上述具体实施方式将向本领域技术人员提供方便的路线图以实施本发明的示例性实施例，这被理解为可以在示例性实施例中描述的操作的方法以及元件的功能和布置中作出各种改变，而不偏离所附权利要求中阐述的本发明的范围。

Claims (17)

1.一种石墨烯结构，包括：

衬底层；以及

设置在所述衬底上的至少两层石墨烯层，所述至少两层石墨烯层包括栅电压调谐层和有效石墨烯层，所述有效石墨烯层包括一个或多个石墨烯层，并且

其中所述石墨烯结构的磁阻比率由所述栅电压调谐层和所述有效石墨烯层之间的电荷迁移率和/或载流子密度的差确定，并且其中所述栅电压调谐层的电荷迁移率和/或载流子密度通过施加至所述石墨烯结构的栅电压可调谐。

2.根据权利要求1所述的石墨烯结构，其中所述石墨烯层的数目是2至6。

3.根据权利要求2所述的石墨烯结构，其中所述石墨烯层的数目是4至6。

4.根据权利要求1所述的石墨烯结构，其中所述栅电压调谐层在所述有效石墨烯层之下。

5.根据权利要求1所述的石墨烯结构，其中所述栅电压调谐层在所述有效石墨烯层之上。

6.根据权利要求1所述的石墨烯结构，其中最大磁阻比率在施加的栅电压近似处于所述石墨烯结构的电荷中性点时获得。

7.根据权利要求1所述的石墨烯结构，其中所述磁阻比率几乎与温度无关。

8.一种磁场传感器，包括：

衬底层；以及

设置在所述衬底上的至少两层石墨烯层，在所述至少两层石墨烯层上制造有电极，并且包括栅电压调谐层和有效石墨烯层，所述有效石墨烯层包括一个或多个石墨烯层，并且，

其中所述石墨烯结构的磁阻比率由所述栅电压调谐层和所述有效石墨烯层之间的电荷迁移率和/或载流子密度的差确定，并且其中所述栅电压调谐层的电荷迁移率和/或载流子密度通过经所述电极施加至所述石墨烯结构的栅电压可调谐。

9.根据权利要求8所述的磁场传感器，其中所述石墨烯层的数目是2至6。

10.根据权利要求9所述的磁场传感器，其中所述石墨烯层的数目是4至6。

11.根据权利要求8所述的磁场传感器，其中所述栅电压调谐层在所述有效石墨烯层之下。

12.根据权利要求8所述的磁场传感器，其中所述栅电压调谐层在所述有效石墨烯层之上。

13.根据权利要求8所述的磁场传感器，其中最大磁阻比率在施加的栅电压近似处于所述石墨烯结构的电荷中性点时获得。

14.根据权利要求8所述的磁场传感器，其中所述磁阻比率几乎与温度无关。

15.根据权利要求8所述的磁场传感器，其中所述衬底或底层是氮化硼。

16.根据权利要求8所述的磁场传感器，其中所述至少两层石墨烯层和所述衬底层构建薄膜，所述薄膜进一步包括：所述衬底层之下的基底层。

17.根据权利要求16所述的磁场传感器，其中所述基底层是柔性的。