CN110726763B - 一种低功耗的氢气检测方法及其装置和制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低功耗的氢气检测方法及其装置和制备方法，该检测方法利用钯金属吸氢前和吸氢后的自旋轨道耦合强度不同，不同的自旋轨道耦合强度通过逆自旋霍尔效应表现出来，即通过钯金属与自旋极化层的异质结构，自旋极化层中的自旋信号会在的钯金属层中自发产生不一样的电流信号，实现氢气的检测。自旋极化层的自旋流在理论上具备无耗散的性质，而且钯金属层中的电流是自发形成的，不需要引入电源，因此减小了氢气检测的功耗，满足了传感小型化的目标。本发明既利用了钯金属层的自旋轨道耦合作用，又利用了钯金属层优异的氢敏特性，由于自旋无耗散的特点，使得这种结构的氢气检测方法能获得更小的功耗。

Description

一种低功耗的氢气检测方法及其装置和制备方法
技术领域
本发明属于自旋电子器件技术领域，特别涉及一种低功耗的氢气检测方法及其装置和制备方法。
背景技术
随着自旋电子学的迅猛发展，自旋轨道耦合效应越来越受到人们的广泛关注，国际上关于相关材料中自旋轨道耦合效应引起的各种新奇物理现象的报道越来越多，如自旋(逆自旋)霍尔效应、自旋场效应晶体管、自旋量子计算等。
自旋轨道耦合作用提供了一种全电学(不需要外磁场或磁性材料)的方法控制自旋，随着理论研究的深入和实验技术的发展，基于自旋轨道耦合效应的各种电子器件层出不穷，也必将会带来更大的实际应用价值。
钯金属由于是一种重金属，有着很强的自旋轨道耦合作用，而且对氢气极为敏感而常作为氢气传感器的敏感媒介。
基于钯金属吸氢前和吸氢后的导电性性质不同的氢气检测技术，需要在具有氢敏特性的钯金属层施加电流，来检测电阻的变化。由于电流的焦耳热效应，增加了核心检测单元的功耗。
基于钯金属吸氢前和析氢后的折射率性质不同的氢气检测技术，需要引入额外的光学模块，来检测折射率的变化；由于光学模块的引入，使得检测系统很难小型化，也引入了额外的功耗。
因此，基于钯金属的现有的氢气检测方法需要进一步的改进。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供一种低功耗的氢气检测方法及其装置和制备方法，该装置既充分利用了钯金属层的自旋轨道耦合作用，又利用了钯金属层的优异的氢敏特性，由于自旋无耗散的特点，使得这种结构的氢气检测方法能获得更小的功耗。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种低功耗的氢气检测方法，钯金属层吸氢前和吸氢后的自旋轨道耦合强度不同，不同的自旋轨道耦合强度使得自旋极化层中的自旋信号会在钯金属层中自发产生不一样的电流信号，实现氢气的检测。
一种低功耗的氢气检测装置，包括自下至上依次设置的衬底、自旋极化层和钯金属层，所述钯金属层的两端分别连接设置于自旋极化层上的电极层，或包括自下至上依次设置的衬底、自旋极化层、阻隔层和钯金属层，所述钯金属层的两端分别连接设置于阻隔层上的电极层。
优选地，所述自旋极化层为拓扑绝缘体、狄拉克半金属、外尔半金属或重金属。
优选地，所述自旋极化层为铁磁金属、铁磁半金属或铁磁绝缘体。
优选地，所述钯金属层为钯的金属薄膜、金属纳米线或金属纳米线阵列。
优选地，所述阻隔层为石墨烯、氧化铝、氧化镁或氮化硼。
优选地，所述电极层为金、银、铜、铂、镍或铟层。
进一步的，所述自旋极化层中的自旋流通过在自旋极化层中施加电流、热梯度或微波产生。
进一步的，在吸收氢气之前，由于钯金属层的自旋轨道耦合作用，自旋极化层中的自旋流会在钯金属层中自发形成电流；在吸收氢气之后，钯金属层体积膨胀，自旋轨道耦合作用发生变化，使得自发形成的电流发生变化。这种结构既充分利用了钯金属层的自旋轨道耦合作用，又利用了钯金属层的优异的氢敏特性，由于自旋无耗散的特点，使得这种结构的氢气检测方法能获得更小的功耗。
进一步的，在吸收氢气之前和吸收氢气之后，钯金属层体积膨胀导致自旋轨道耦合强度不同，所述自旋极化层中的自旋流在钯金属层自发形成的电流也不同。
一种低功耗的氢气检测装置的制备方法，包括以下步骤：
S1、选取衬底，依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗；
S2、通过脉冲激光沉积、分子束外延、机械转移或化学气相沉积的方法在衬底上制备自旋极化层；
S3、通过原子层沉积、机械转移或化学气相沉积的方法在自旋极化层上制备阻隔层；
S4、通过电子束蒸发、磁控溅射、热蒸镀、脉冲激光沉积或分子束外延的方法在石墨烯的上制备金属钯纳米线；
S5、通过电子束蒸发、磁控溅射、热蒸镀、脉冲激光沉积或分子束外延的方法将金属钯纳米线的两端沉积上电极层。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明采用自旋极化层/钯金属层的复合结构，既充分利用了钯金属层的自旋轨道耦合作用，又利用了钯金属层的优异的氢敏特性，由于自旋无耗散的特点，使得这种结构的氢气检测方法能获得更小的功耗，也满足了传感小型化的目标。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1吸收氢气之前的低功耗氢气检测的侧视图；
图3是图1吸收氢气之后的低功耗氢气检测的侧视图；
其中：1-自旋极化层，2-钯金属层，3-自旋流，4-电流，5-电极层，6-阻隔层。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。
本发明的原理：本发明利用钯金属吸氢前和吸氢后的自旋轨道耦合强度不同，这种不同的自旋轨道耦合强度可以通过逆自旋霍尔效应表现出来，即通过钯金属与自旋极化层的异质结构，自旋极化层中的自旋信号会在的钯金属层中自发产生不一样的电流信号，实现氢气的检测。一些自旋极化层的自旋流在理论上具备无耗散的性质，而且钯金属层中的电流是自发形成的，不需要引入电源，因此大大减小了氢气检测的功耗，也满足了传感小型化的目标。
一种低功耗的氢气检测方法，钯金属层吸氢前和吸氢后的自旋轨道耦合强度不同，不同的自旋轨道耦合强度使得自旋极化层中的自旋信号会在钯金属层中自发产生不一样的电流信号，实现氢气的检测。
如图1所示，一种低功耗的氢气检测装置，包括自下至上依次设置的衬底、自旋极化层1和钯金属层2，所述钯金属层2的两端分别连接设置于自旋极化层1上的电极层5，或包括自下至上依次设置的衬底、自旋极化层1、阻隔层6和钯金属层2，所述钯金属层2的两端分别连接设置于阻隔层6上的电极层5。
作为一个优选方案，所述自旋极化层1为拓扑绝缘体、狄拉克半金属、外尔半金属或重金属，优选地，所述自旋极化层1为铁磁金属、铁磁半金属或铁磁绝缘体，优选地，所述钯金属层2为钯的金属薄膜、金属纳米线或金属纳米线阵列，优选地，所述阻隔层6为石墨烯、氧化铝、氧化镁或氮化硼，优选地，所述电极层5为金、银、铜、铂、镍或铟层。
如图2和图3所示，所述自旋极化层1中的自旋流通过在自旋极化层1中施加电流、热梯度或微波产生。具体地讲，在吸收氢气之前和吸收氢气之后，钯金属层2体积膨胀导致自旋轨道耦合强度不同，所述自旋极化层1中的自旋流在钯金属层2自发形成的电流也不同，进一步的，在吸收氢气之前，钯金属层2的自旋轨道耦合作用，自旋极化层1中的自旋流3会在钯金属层中自发形成电流4，如图2所示；在吸收氢气之后，钯金属层2体积膨胀，自旋轨道耦合作用发生变化，使得自发形成的电流4发生变化，如图3所示。这种结构既充分利用了钯金属层的自旋轨道耦合作用，又利用了钯金属层的优异的氢敏特性，由于自旋无耗散的特点，使得这种结构的氢气检测方法能获得更小的功耗。
下面通过实施例对低功耗的氢气检测装置的制备方法进行描述，
实施例1
一种低功耗的氢气检测装置的制备方法，包括以下步骤：
S1、选用单晶硅作为衬底，依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗。
S2、自旋极化层用机械转移法制备，具体地讲，利用胶带解离拓扑绝缘体Bi2Se3块材，获得薄层拓扑绝缘体，转移到单晶硅衬底上，制备的薄层拓扑绝缘体厚度为10～100nm，长度为10-50μm，宽度为5-30μm。
S3、阻隔层用机械转移法制备，具体地讲，利用胶带解离石墨烯块材，获得单层石墨烯，转移到拓扑绝缘体上，制备的单层石墨烯长度为10-50μm，宽度为5-30μm。
S4、钯金属层用电子束蒸发设备制备，在石墨烯的上通过电子束光刻、电子束蒸发制备金属钯纳米线。优选地，蒸镀时，腔体真空度为10-4Pa，衬底温度为20℃，沉积速率为
Figure BDA0002238673500000041
制备的金属钯纳米线的宽度为50nm，长度为10μm。
S5、在金属钯纳米线的两端沉积金电极。优选地，蒸镀时，腔体真空度为10-4Pa，衬底温度为20℃，沉积速率为
Figure BDA0002238673500000042
制备的金电极厚度为50-100nm。
实施例2
一种低功耗的氢气检测装置的制备方法，包括以下步骤：
S1、选用单晶硅作为衬底，依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗。
S2、自旋极化层用机械转移法制备，具体地讲，利用胶带解离铁磁金属Fe3GeTe2块材，获得薄层铁磁金属，转移到单晶硅衬底上，制备的薄层铁磁金属厚度为10～100nm，长度为10-50μm，宽度为5-30μm。
S3、阻隔层用机械转移法制备，具体地讲，利用胶带解离氮化硼块材，获得少层氮化硼，转移到铁磁金属上。制备的石墨烯长度为10-50μm，宽度为5-30μm。
S4、钯金属层用电子束蒸发设备制备，具体地讲，在氮化硼的上通过电子束蒸发制备金属钯薄膜。优选地，蒸镀时，腔体真空度为10-4Pa，衬底温度为20℃，沉积速率为
Figure BDA0002238673500000051
制备的金属钯薄膜的厚度为10nm。
S5、在金属钯薄膜的两端沉积铝电极，优选地，蒸镀时，腔体真空度为10-4Pa，衬底温度为20℃，沉积速率为
Figure BDA0002238673500000052
制备的铝电极厚度为50-100nm。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种低功耗的氢气检测装置，其特征在于，包括自下至上依次设置的衬底、自旋极化层和钯金属层，所述钯金属层的两端分别连接设置于自旋极化层上的电极层，或包括自下至上依次设置的衬底、自旋极化层、阻隔层和钯金属层，所述钯金属层的两端分别连接设置于阻隔层上的电极层。
2.根据权利要求1所述的低功耗的氢气检测装置，其特征在于，所述自旋极化层为拓扑绝缘体、狄拉克半金属、外尔半金属或重金属。
3.根据权利要求1所述的低功耗的氢气检测装置，其特征在于，所述自旋极化层为铁磁金属、铁磁半金属或铁磁绝缘体。
4.根据权利要求1所述的低功耗的氢气检测装置，其特征在于，所述钯金属层为钯的金属膜、金属纳米线或金属纳米线阵列。
5.根据权利要求1所述的低功耗的氢气检测装置，其特征在于，所述阻隔层为石墨烯、氧化铝、氧化镁或氮化硼。
6.根据权利要求1所述的低功耗的氢气检测装置，其特征在于，所述电极层为金、银、铜、铂、镍或铟层。
7.根据权利要求1所述的低功耗的氢气检测装置，其特征在于，在吸收氢气之前，由于钯金属层的自旋轨道耦合作用，自旋极化层中的自旋流会在钯金属层中自发形成电流；在吸收氢气之后，钯金属层体积膨胀，自旋轨道耦合作用发生变化，使得自发形成的电流发生变化。
8.根据权利要求1所述的低功耗的氢气检测装置，其特征在于，在吸收氢气之前和吸收氢气之后，钯金属层体积膨胀导致自旋轨道耦合强度不同，所述自旋极化层中的自旋流在钯金属层自发形成的电流也不同。
9.根据权利要求1-8任一所述的低功耗的氢气检测装置的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、选取衬底，依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗；
S2、通过脉冲激光沉积、分子束外延、机械转移或化学气相沉积的方法在衬底上制备自旋极化层；
S3、通过原子层沉积、机械转移或化学气相沉积的方法在自旋极化层上制备阻隔层；
S4、通过电子束蒸发、磁控溅射、热蒸镀、脉冲激光沉积或分子束外延的方法在阻隔层的上制备金属钯纳米线；
S5、通过电子束蒸发、磁控溅射、热蒸镀、脉冲激光沉积或分子束外延的方法将金属钯纳米线的两端沉积上电极层。
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