CN108807211A - 一种用于测量二维半导体材料的磁阻的装置及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于测量二维半导体材料的磁阻的测量装置，包括：绝缘衬底层；第一金属栅极层，所述第一金属栅极层设置于所述绝缘衬底层的上方；二维半导体材料层，所述二维半导体材料层设置于所述第一金属栅极层的上方；第二金属栅极层，所述第二金属栅极层设置于所述二维半导体材料层的上方；以及测量仪器，所述测量仪器通过导线连接在第一金属栅极层和第二金属栅极层之间。本发明公开的测量装置结构简单，并且能够利用该测量装置精确地获得不同的有机半导体材料的磁阻，进而可以得到不同有机材料器件在不同温度，不同的电场强度，磁场以及载流子浓度下的有机磁阻效应。本发明还提供了一种制作该器件的方法。

Description

一种用于测量二维半导体材料的磁阻的装置及其制作方法
技术领域
本发明涉及半导体领域，具体涉及一种用于测量二维半导体材料的磁阻的装置及其制作方法。
背景技术
当前，新型的二维半导体材料由于其优越的光，电及热等特性被广泛的应用于半导体装置上。但是，相对于光、电及热效应，磁效应在二维材料中的研究则较少。人们通过研究发现，许多金属和半导体材料，如Co、Ni、Si、Ge、有机半导体等，在外加一个小的磁场作用下，材料的电阻将会发生具有巨大的变化，这种效应被称作磁阻效应。即，磁阻效应是指某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象。这种现象主要是由于金属或半导体的载流子在磁场中运动时，由于受到电磁场的变化产生的洛伦兹力作用，产生了磁阻效应。
二维半导体材料作为一种新型的半导体材料，其既表现出半导体特征，同时出具有低维材料的特性，因此，如果在二维半导体材料中外加磁场作用，其载流子在磁场中发生运动时，也将会受到电磁场的作用而产生洛伦兹力作用，既将产生磁阻效应。
目前，有关二维半导体材料的磁阻效应研究较少，为了更好地研究和发展二维半导体材料电子器件，同时更好地推动二维电子器件的实用化，需要开发一种结构简单并且价格低廉的测量装置，来测量二维半导体材料的磁阻。
发明内容
本发明旨在提供一种结构简单并且价格低廉的测量装置来测量二维半导体材料的磁阻。
本发明的实施例提供一种用于测量二维半导体材料的磁阻的装置，包括：
绝缘衬底层；
第一金属栅极层，所述第一金属栅极层设置于所述绝缘衬底层的上方；
二维半导体材料层，所述二维半导体材料层设置于所述第一金属栅极层的上方；
第二金属栅极层，所述第二金属栅极层设置于所述二维半导体材料层的上方；以及
测量仪器，所述测量仪器通过导线连接在第一金属栅极层和第二金属栅极层之间。
进一步地，所述绝缘衬底层为具有200nm厚二氧化硅的硅衬底或玻璃衬底，所述硅衬底或玻璃衬底的厚度为1mm-10mm。
进一步地，所述第一金属栅极层，和/或第二金属栅极层由铂、金、铜、银中的至少一种组成。
进一步地，所述第一金属栅极层，和/或第二金属栅极层的宽度为1mm～2mm，厚度为100nm～500nm。
进一步地，所述二维半导体材料层由至少一层二维半导体材料构成。
进一步地，所述每一层二维半导体材料的长度为1mm～10mm，宽度为100μm～1mm。
根据本发明的另一方面，提供了一种制作如上述任一项所述的装置的方法，包括：
在绝缘衬底层上沉积第一金属栅极层；
在第一金属栅极层上形成二维半导体材料层；以及，
在二维半导体材料层上沉积第二金属栅极层。
进一步地，在绝缘衬底层上沉积第一金属栅极层包括：
通过电子束蒸发、化学气相沉积、脉冲激光沉积、原子层沉积或磁控溅射将第一金属栅极层沉积在所述绝缘衬底层上。
进一步地，在第一金属栅极层上形成二维半导体材料层包括：
通过化学气相淀积或热淀积方法在第一金属栅极层上形成二维半导体材料层，或是通过物理连接的方法将二维半导体材料层转移到所述第一金属栅极层上。
进一步地，其特征在于，所述方法还包括步骤：
在第一金属栅极层和第二金属栅极层之间电连接测量仪器。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明公开的测量装置结构简单且价格低廉，能够精确地获得不同的二维有机半导体材料的磁阻，进而可以得到不同的二维有机半导体材料器件在不同温度，不同的电场强度、磁场以及载流子浓度下的有机磁阻效应。
附图说明
通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其他目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。
图1为本发明实施例提供的测量装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的制作图1所示的测量装置的方法的流程图；以及
图3A-3D为本发明实施例提供的制作图1的测量装置的过程的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一个实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
如图1所示，本发明的实施例提供的一种用于测量二维半导体材料的磁阻的测量装置100，包括：绝缘衬底层1；第一金属栅极层2，所述第一金属栅极层2设置于所述绝缘衬底层1的上方；二维半导体材料层3，所述二维半导体材料层3设置于所述第一金属栅极层2的上方；第二金属栅极层4，所述第二金属栅极层4设置于所述二维半导体材料层的上方；以及测量仪器5，通过导线电连接到第一金属栅极层2和第二金属栅极层4之间。
在本实施例中，绝缘衬底层1可以为带有200nm厚SiO2的绝缘层的Si衬底或玻璃衬底，厚度为1mm-10mm。第一金属栅极层2和第二金属栅极层4可以由Pt、Au、Cu、Ag中的至少一种组成，宽度为1mm～2mm，厚度为100nm～500nm。二维半导体材料层2为需要测量的材料，范围包括目前所有的二维半导体材料，如Co、Ni、Si、Ge、有机半导体等。二维半导体材料层2大致为薄片状，其长度可以为1mm～10mm，宽度可以为100μm～1mm，厚度可以为500nm～1000nm。测量仪器5可以包括电压源以及测量电流、电压等的测量仪表。
所述二维半导体材料层可以包括至少一层二维半导体材料层。每一层二维半导体材料层的长度为1mm～10mm，宽度为100μm～1mm。通过设置多层二维半导体材料层，可以获得不同厚度的半导体材料，进而可以测量不同厚度的半导体材料的磁阻。
根据本发明的另一个方面，如图2所示，还提供了一种制作上述实施例中任一项所述的装置100的方法，包括步骤：
步骤S1：在绝缘衬底层1上沉积第一金属栅极层2；
步骤S2：在第一金属栅极层2上形成二维半导体材料层3；以及，
步骤S3：在二维半导体材料层3上沉积第二金属栅极层4。
具体的，如图3A-3D所示，在步骤S1中，通过电子束蒸发、化学气相沉积、脉冲激光沉积、原子层沉积或磁控溅射将第一金属栅极层2沉积在所述绝缘衬底层1上，所述第一金属栅极层2的厚度为100nm至500nm。在步骤S2中，通过化学气相淀积或热淀积方法在第一金属栅极层2上形成二维半导体材料层3，或是通过物理连接的方法将二维半导体材料层3转移到所述第一金属栅极层2上，二维半导体材料层3的厚度可以为500nm～1000nm。物理连接是将已有的二维半导体材料层3连接到第一金属栅电极2上的方法。在步骤S3中，通过电子束蒸发、化学气相沉积、脉冲激光沉积、原子层沉积或磁控溅射将第二金属栅极层4沉积在二维半导体材料层3上，第二金属栅极层4的厚度可以为100nm至500nm。
在进一步较佳实施例中，所述方法还包括步骤：
步骤S4：在第一金属栅极层2和第二金属栅极层4之间电连接测量仪器5。
本发明的实施例还提供一种测量二维半导体材料的磁阻的方法，包括步骤：
首先，测量所述二维半导体材料层3在无外加磁场的环境下的第一电流值。
具体的，可以通过使用Keithley 6221型电流源测量器件测量二维半导体材料层3在无外加磁场环境下的电流，而且在本实施例中，为了消除接触电阻以及导线电阻对测量结果的影响，可以采用四端接触法测量二维半导体材料层3的电流。
接着，测量二维半导体材料层3在有外加磁场的环境下的第二电流值。
具体的，可以通过使用Keithley 6221型电流源测量器件测量二半导体材料层3在有外加磁场B的坏境下的电流，而且，在本实施例中，为了消除接触电阻以及导线电阻对测量结果的影响，可以采用四端接触法测量电流值。外加磁场的大小可以为1T-1mT，磁场的方向可以是横向的，即磁场的方向平行于二半导体材料层3的表面。
最后，根据第一电流值和第二电流值求得所述磁阻。
在本实施例中，可以根据下式计算所述二维半导体材料的磁阻：
MR＝[I(B)-I(0)]/I(0)；
其中，MR表示磁阻率的大小，I(0)表示样品无外加磁场时测得的电流值，I(B)表示样品在外加磁场B作用下的电流值。
在进一步较佳实施例中，测量所述第一电流值和所述第二电流值时，将所述装置置于真空坏境下，并且所述真空坏境的真空度至少为1.0×10-4Pa。
在本发明的一个具体的实施例中，首先，利用电子束蒸发工艺，在带有200nm厚SiO2的绝缘层的Si衬底上，磁控溅射200nm的Au薄膜作为第一金属栅极层；然后采用化学气相沉积法在Au薄膜上形成二维半导体材料层；然后利用磁控溅射方法在二维半导体材料层的上面制备200nm的Pt薄膜作为第二金属栅极层。在制备好装置后，将其放置于磁场下，加上横向的磁场B，然后使用Keithley 6221型电流源产生电流并用万用表测量电流值；最后通过公式MR＝[I(B)-I(0)]/I(0)计算出二维半导体材料的磁阻率。
与现有技术相比，本发明的实施例具有以下优点：
本发明公开的装置结构简单且价格低廉，并且能够利用该装置精确地获得不同的二维半导体材料的磁阻，进而可以得到不同二维半导体材料在不同温度，不同的电场强度，磁场以及载流子浓度下的有机磁阻效应。
对于本发明的实施例，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于测量二维半导体材料的磁阻的装置，包括：
绝缘衬底层；
第一金属栅极层，所述第一金属栅极层设置于所述绝缘衬底层的上方；
二维半导体材料层，所述二维半导体材料层设置于所述第一金属栅极层的上方；
第二金属栅极层，所述第二金属栅极层设置于所述二维半导体材料层的上方；以及
测量仪器，所述测量仪器通过导线连接在第一金属栅极层和第二金属栅极层之间。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述绝缘衬底层为具有200nm厚二氧化硅的硅衬底或玻璃衬底，所述硅衬底或玻璃衬底的厚度为1mm-10mm。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一金属栅极层，和/或第二金属栅极层由铂、金、铜、银中的至少一种组成。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第一金属栅极层，和/或第二金属栅极层的宽度为1mm～2mm，厚度为100nm～500nm。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述二维半导体材料层由至少一层二维半导体材料构成。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述每一层二维半导体材料的长度为1mm～10mm，宽度为100μm～1mm。
7.一种制作如权利要求1-6中任一项所述的装置的方法，包括：
在绝缘衬底层上沉积第一金属栅极层；
在第一金属栅极层上形成二维半导体材料层；以及，
在二维半导体材料层上沉积第二金属栅极层。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在绝缘衬底层上沉积第一金属栅极层包括：
通过电子束蒸发、化学气相沉积、脉冲激光沉积、原子层沉积或磁控溅射将第一金属栅极层沉积在所述绝缘衬底层上。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在第一金属栅极层上形成二维半导体材料层包括：
通过化学气相淀积或热淀积方法在第一金属栅极层上形成二维半导体材料层，或是通过物理连接的方法将二维半导体材料层转移到所述第一金属栅极层上。
10.如权利要求7-9任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤：
在第一金属栅极层和第二金属栅极层之间电连接测量仪器。
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