CN118330522A - Fe5GeTe2材料的应用、磁阻角度传感器及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种Fe5GeTe2材料的应用、磁阻角度传感器及其应用。本申请提供了一种Fe5GeTe2材料在磁阻角度传感器中的应用，所述磁阻角度传感器中磁阻片的材料为Fe5GeTe2层状材料，所述Fe5GeTe2层状材料的平均厚度为17nm～188nm。其在一定温度和磁场强度的条件下，随着Fe5GeTe2材料所在平面与磁场方向二者之间夹角的变化，Fe5GeTe2材料的纵向电阻和霍尔电阻会产生明显变化，基于此，Fe5GeTe2材料可应用于磁阻角度传感器，角度检测范围最高可达360度。采用上述磁阻片的磁阻角度传感器具有反应灵敏，分辨率高，检测范围广，适用面宽，结构微小的特性，扩大了Fe5GeTe2材料的应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及二维磁性材料领域，尤其涉及Fe5GeTe2材料的应用、磁阻角度传感器及其应用。
背景技术
Fe5GeTe2是一种二维(2D)范德华(vdW)材料，其具有高达310K的居里温度，并且其磁化强度和反常霍尔效应均随温度的降低而呈现非单调变化的性能，因此，目前对其研究主要集中在磁学性质方面，目前，Fe5GeTe2材料的其中一个应用是利用其非线性霍尔效应制备非线性霍尔器件，在一定程度上限制了其应用范围。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种Fe5GeTe2材料的应用、磁阻角度传感器及其应用，以解决Fe5GeTe2应用受限的技术问题。
为实现上述目的，本申请提供了一种Fe5GeTe2材料在磁阻角度传感器中的应用，所述磁阻角度传感器包括传感单元，所述传感单元中磁阻片的材料为Fe5GeTe2层状材料，所述Fe5GeTe2层状材料的平均厚度为17nm～188nm。。
根据本申请的实施方式，所述Fe5GeTe2层状材料的平均厚度为17nm～44nm。
本申请还提供了一种磁阻角度传感器，所述磁阻角度传感器包括至少一个传感单元，所述传感单元中磁阻片的材料为Fe5GeTe2层状材料，所述Fe5GeTe2层状材料的平均厚度为17nm～188nm。
根据本申请的实施方式，所述传感单元的数量为1个，所述传感单元包括均与所述磁阻片电性连接的工作电路和信号处理电路，所述信号处理电路用于测量所述磁阻片的纵向电阻；所述纵向电阻为所述工作电路在与所述磁阻片上的两个接入点之间的电阻。
根据本申请的实施方式，所述传感单元的数量为2个；
任一所述传感单元包括均与所述磁阻片电性连接的工作电路和信号处理电路，所述信号处理电路用于测量所述磁阻片的纵向电阻；并且，至少一个所述传感单元中的所述信号处理电路用于测量所述磁阻片的霍尔电阻；
所述纵向电阻为所述工作电路在与所述磁阻片上的两个接入点之间的电阻；
所述霍尔电阻的测量方向垂直于所述工作电路施加在所述磁阻片内形成电流的电流方向；
两个所述传感单元对应霍尔电阻的测量方向平行，且两个所述传感单元的工作面夹角为45°。
本申请还提供了一种上述磁阻角度传感器在角度校准中的应用，包括以下步骤：
将磁阻角度传感器设置于待校准机构的基准面上，其中，所述磁阻角度传感器中的任一传感单元中磁阻片的工作面与所述基准面维持第一预设角度；
在校准区域内的磁场方向与所述基准面的目标平面维持第二预设角度、且温度为160K～25℃的条件下，调整所述基准面与所述目标平面的角度，至任一传感单元中的输出电阻达到目标值；其中，所述目标平面为校准状态下所述基准面所处平面，磁场≥5T；所述输出电阻包括对应磁阻片输出的纵向电阻和霍尔电阻。
根据本申请的实施方式，在校准区域温度为160K～25℃且磁场范围为磁场≥5T的条件下，Fe5GeTe2层状材料的平均厚度为17nm。
根据本申请的实施方式，在校准区域温度为160K～250K且磁场范围为磁场≥5T的条件下，Fe5GeTe2层状材料的平均厚度为44nm。
根据本申请的实施方式，在校准区域温度为160K～170K且磁场范围为磁场≥5T的条件下，Fe5GeTe2层状材料的平均厚度为188nm。
根据本申请的实施方式，所述第一预设角度为90°或0°；所述第二预设角度为90°或0°。
上述的Fe5GeTe2材料中，申请人研究发现当Fe5GeTe2材料在17nm～188nm平均厚度时，其在一定温度和磁场强度的条件下，随着Fe5GeTe2材料所在平面与磁场方向二者之间夹角的变化，Fe5GeTe2材料的纵向电阻和霍尔电阻会产生明显变化，基于此，Fe5GeTe2材料可应用于磁阻角度传感器，角度检测范围最高可达360度。采用上述磁阻片的磁阻角度传感器具有反应灵敏，分辨率高，检测范围广，适用面宽，结构微小的特性，扩大了Fe5GeTe2材料的应用范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1是本申请一实施方式的磁阻角度传感器中传感单元堆叠的结构示意图；
图2是本申请一实施方式的磁阻角度传感器中传感单元的电路连接结构示意图；
图3是本申请一实施方式的传感单元布置的侧视结构示意图；
图4是本申请一实施方式的磁阻角度传感器中传感单元的光学图；
图5是本申请一实施方式的Fe5GeTe2薄膜厚度为17nm的磁阻角度传感器高温下的ADMR图；
图6是本申请一实施方式的Fe5GeTe2薄膜厚度为17nm的磁阻角度传感器在300K温度下ADMR前后平移45°的示意图；
图7是本申请一实施方式的Fe5GeTe2薄膜厚度为17nm的磁阻角度传感器在300K温度下的霍尔电阻与角度的关系图；
图8是本申请一实施方式的Fe5GeTe2薄膜厚度为17nm的磁阻角度传感器不同磁场下的ADMR图；
图9是本申请一实施方式的Fe5GeTe2薄膜厚度为17nm的磁阻角度传感器低温下的ADMR图；
图10是本申请一实施方式的Fe5GeTe2薄膜厚度为44nm的磁阻角度传感器高温下的ADMR图；
图11是本申请一实施方式的Fe5GeTe2薄膜厚度为188nm的磁阻角度传感器不同温度下的ADMR图；
图12为本申请实施例1的Fe5GeTe2薄膜的AFM阶梯图；
图13为本申请实施例2的Fe5GeTe2薄膜的AFM阶梯图；
图14为本申请实施例3的Fe5GeTe2薄膜的AFM阶梯图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施方式，参照附图做进一步说明。
10、基底；20、磁阻片；30、封装层；40、工作电路；50、信号处理电路。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施方式中所有方向性指示(诸如上、下……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
并且，本发明各个实施方式之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本申请提供了一种Fe5GeTe2材料在磁阻角度传感器中的应用，磁阻角度传感器包括传感单元，所述传感单元中磁阻片的材料为Fe5GeTe2层状材料，Fe5GeTe2层状材料的平均厚度为17nm～188nm。
磁阻片具有磁阻效应(Magnetoresistance effect,MR)，即为MR元件，其中角度依赖的磁阻效应(Angle-Dependent Magnetoresistance,ADMR)，为传感器的核心部分。Fe5GeTe2材料的纵向电阻值会随着磁场方向的变化而变化。因此磁阻片的材料选择为Fe5GeTe2材料。磁阻片的平均厚度较薄，为薄片结构，其平均厚度为17nm～188nm。因此，在本申请实施例中，磁阻片也可以称为Fe5GeTe2层状材料，或者Fe5GeTe2纳米片。
磁阻片在垂直于自身平均厚度方向具有两个相对设置的表面。两个表面相对较为平整，当然由于制备方法(例如，通过透明胶带从块状单晶Fe5GeTe2上机械剥离得到Fe5GeTe2薄片)决定了其并非完全平整的表面。其中一个表面会与用于构成必要电路的一些电极连接。
在一些实施例中，参见图1，磁阻角度传感器中的传感单元还包括基底10和封装层30。如图1所示，最下面是基底10，中间是磁阻片20即Fe5GeTe2薄膜，电流从其中流过，最上面是封装层30，封装层30为绝缘材料，如h-BN薄膜，用于封装Fe5GeTe2薄膜，防止其氧化。
其中，基底10上设有电极，磁阻片20设置在基底10上，且磁阻片20的一个表面与基底10的电极连接。该表面为可以称为磁阻片20的工作面。为描述方便，上述两个相对设置的表面，一个可以称为底面，一个可以称为顶面。通常而言，底面与电极连接，作为工作面。
参见图2，磁阻角度传感器中传感单元主要的结构示意图。在基底10上用光刻蒸镀法沉积Cr/Au电极，再在电极上覆盖近似Fe5GeTe2薄膜和h-BN薄膜，保证电极的四端位于薄膜四端的下方。
可以理解的是，如图2所示的结构，基底10(包括基底10上的电极)、Fe5GeTe2薄膜和封装层30及构成了磁阻角度传感器的传感单元。通过在x方向的两端电极输入电流，使其在Fe5GeTe2薄膜中流通，同时通过x方向的两端电极测量其纵向电压，通过y方向的两端电极测量其霍尔电压，进而得出纵向电阻值和霍尔电阻值。
当传感单元的数量为1个时，该磁阻角度传感器为一型磁阻角度传感器。一型磁阻角度传感器的信号处理电路仅测量纵向电阻值即可。
当传感单元的数量为2个时，该磁阻角度传感器为二型磁阻角度传感器，其结构可参见图3，图3是二型磁阻角度传感器的结构示意图，两个传感单元交叠设置，交线平行y轴，且二者的夹角为45°。在二型磁阻角度传感器的信号处理电路，其中一个传感单元，信号处理电路既测量纵向电阻值又测量霍尔电阻值。另一个传感单元，信号处理电路可以仅测量纵向电阻值，同时也可以既测量纵向电阻值又测量霍尔电阻值。
一个传感单元组成的一型磁阻角度传感器能探测0～90度的范围，传感单元的底面称为该一型磁阻角度传感器的底面。两个相同传感单元组成的二型磁阻角度传感器，角度检测范围为0～360度，人为设置其中一个传感单元的底面为二型磁阻角度传感器的底面。在没有强调“角度检测范围时”，一型和二型磁阻角度传感器统称为磁阻角度传感器。
当某个传感单元需要测量纵向电阻值和霍尔电阻值时，其结构可以参见图4，图4是磁阻角度传感器中传感单元的光学图。基底10是SiO2/Si，四周的矩形是金属电极，在电极中心覆盖Fe5GeTe2薄膜。最上面覆盖的是h-BN薄膜，避免Fe5GeTe2薄膜与空气接触，防止其氧化。图4中沿x方向的一对金属电极用于检测纵向电阻值，沿y方向的一对金属电极可以用于测量霍尔电阻值。当然，该传感单元同样适用于仅测量纵向电阻值。
通过上述制备方法可以知晓，磁阻片20的平均厚度也可以理解为平均厚度。例如，17nm的Fe5GeTe2纳米片，可以理解为平均厚度值较为均匀，平均厚度为17nm。
磁阻片20的平均厚度为17nm～188nm，磁阻片20包括多种规格的产品，例如平均厚度为17nm、20nm、30nm、40nm、44nm、56nm、71nm、87nm、90nm、100nm、155nm、188nm的磁阻片20等。
申请人研究发现当Fe5GeTe2材料在17nm～188nm平均厚度时，其在一定温度和磁场强度的条件下，Fe5GeTe2材料所在平面与磁场方向二者之间夹角发生变化时，如工作面与磁场平行变成工作面与磁场垂直时，Fe5GeTe2材料的纵向电阻会产生明显变化。因此可以用作磁阻片20。
示例性地，在该下述条件下：
温度范围：160K至室温；磁场范围：5T以上；厚度范围：17nm。一型磁阻角度传感器可检测90度的范围，二型磁阻角度传感器可检测360度全范围。
又示例性地，在该下述条件下：
温度范围：160K至250K；磁场范围：5T以上；厚度范围：44nm。一型磁阻角度传感器可检测90度的范围，二型磁阻角度传感器可检测360度全范围。
又示例性地，在该下述条件下：
温度范围：160K至170K；磁场范围：5T以上；厚度范围：188nm。一型磁阻角度传感器可检测90度的范围，二型磁阻角度传感器可检测360度全范围。
又示例性地，在该下述条件下：
温度范围：极低温T＝10K～30K；磁场范围：5T以上；平均厚度：17nm。在一些实施例中，Fe5GeTe2层状材料的平均厚度为17nm。一型磁阻角度传感器能极为精准且快速的探测到θ等于90度和270度这两个方位，且具有极高敏感度。
温度和磁场强度的条件，示例性地，其是磁阻角度传感器的工作环境提供；如使用环境处于室温，正好达到300K的温度。如测量对象在太空中，太空中温度较低，可能能达到10K～30K的温度，即磁阻角度传感器用于航天设备中；又如，通过液氦，提供10K～30K的测试环境，将磁阻角度传感器用于测量对象如待校准的机构上，当校准完成后，再从该测试环境中脱离。
又示例性地，磁阻角度传感器自身的结构提供温度和磁场强度的条件或测量对象提供温度和磁场强度的条件。如测量对象具有上述温度和磁场范围。
上述的Fe5GeTe2材料中，申请人研究发现当Fe5GeTe2材料在17nm～188nm平均厚度时，其在一定温度和磁场强度的条件下，随着Fe5GeTe2材料所在平面与磁场方向二者之间夹角的变化，Fe5GeTe2材料的纵向电阻和霍尔电阻会产生明显变化，因此，Fe5GeTe2材料可应用于磁阻角度传感器，用作磁阻角度传感器中的磁阻片20。采用上述磁阻片20的磁阻角度传感器具有检测范围广，反应灵敏，分辨率高，适用面宽，结构微小的特性，扩大了Fe5GeTe2材料的应用范围。
相应地，本申请还提供了一种磁阻角度传感器，磁阻角度传感器包括至少一个传感单元，所述传感单元中磁阻片20的材料为Fe5GeTe2层状材料，Fe5GeTe2层状材料的平均厚度为17nm～188nm。
上述的磁阻角度传感器，由于采用了Fe5GeTe2材料作为磁阻片20。因此上述磁阻角度传感器具有适用温度范围广，检测范围大，稳定性高，结构极其微小，在低温下反应极为灵敏，分辨率极高的特性。
在一些实施例中，传感单元的数量为1个，传感单元包括均与磁阻片20电性连接的工作电路40和信号处理电路50，信号处理电路50用于测量磁阻片20的纵向电阻。纵向电阻为工作电路40在与磁阻片上的两个接入点之间的电阻。在该情形下，磁阻角度传感器为一型磁阻角度传感器。
具体在一些实施例中，工作电路40中的输入电压为20mV～70mV，工作电路40中的输入电流为0.2mA～0.5mA。
在另一些实施例中，传感单元的数量为2个，两个所述传感单元对应霍尔电阻的测量方向平行，且两个所述传感单元的工作面夹角为45°。即如图3所示。图3是二型磁阻角度传感器的结构示意图，两个传感单元交叠设置，交线平行y轴，且二者的夹角为45°。
任一传感单元包括均与磁阻片20电性连接的工作电路40和信号处理电路50，信号处理电路50用于测量磁阻片20的纵向电阻；并且，至少一个传感单元中的信号处理电路50用于测量磁阻片20的霍尔电阻；纵向电阻为工作电路40在与磁阻片20上的两个接入点之间的电阻；霍尔电阻的测量方向垂直于工作电路40施加在所述磁阻片20内形成电流的电流方向。
示例性地，磁阻片20设有两组电极，第一组电极沿磁阻片20的第一方向相对设置，如x方向，第二组电极垂直磁阻片20的第一方向相对设置。这样，工作电路40两端连接在第一组电极的两个电极上，若信号处理电路50两端连接在第二组电极的两个电极上测量霍尔电阻，而若信号处理电路50两端连接在第一组电极的两个电极上则测量纵向电阻。信号处理电路50可能包括放大器、滤波器、模数转换器等。
可以理解的是，工作电路40和信号处理电路50并非磁阻角度传感器的必要结构，即如在一些实施例中，测量对象，如待校准的机构存在工作电路40和信号处理电路50，只要将待校准的机构的工作电路40和信号处理电路50与磁阻角度传感器连接即可。
在一些实施例中，Fe5GeTe2层状材料的平均厚度为17nm～44nm。
本申请还提供了一种上述磁阻角度传感器在角度校准中的应用，包括以下步骤：
将磁阻角度传感器设置于待校准机构的基准面上，其中，磁阻角度传感器任一传感单元中磁阻片20的工作面与基准面维持第一预设角度；
在校准区域内的磁场方向与基准面的目标平面维持第二预设角度、且温度为160K～25℃的条件下，调整基准面与目标平面的角度，至任一传感单元中的输出电阻达到目标值；其中，目标平面为校准状态下基准面所处平面，磁场≥5T；所述输出电阻包括对应磁阻片输出的纵向电阻和霍尔电阻。
利用上述磁阻角度传感器的性质，可以用于机构的角度校准，如安装时的角度。在一些精磨的仪器中，待校准机构通常需要保证其与其他零件的角度位于合适的角度下，此时该机构即处于校准状态。在该状态下，待校准机构的基准面所在的平面即为目标平面。
磁阻片20的工作面固定在待校准机构的基准面上，与基准面维持第一预设角度，如0°、13°、35°、68°、90°。磁场方向与基准面的目标平面维持第二预设角度。因此，在校准状态下，磁场方向与工作面的夹角为固定值，如0°、21°、47°、76°、90°。相应的纵向电阻为目标值。若纵向电阻与目标值出现偏差，则说明待校准机构的基准面与目标平面存在夹角，调整基准面与目标平面的角度，至磁阻角度传感器的纵向电阻达到目标值，即完成校准。
在一些实施例中，在校准区域温度为160K～25℃且磁场范围为磁场≥5T的条件下，Fe5GeTe2层状材料的平均厚度为17nm。
在一些实施例中，在校准区域温度为160K～250K且磁场范围为磁场≥5T的条件下，Fe5GeTe2层状材料的平均厚度为44nm。
在一些实施例中，在校准区域温度为160K～170K且磁场范围为磁场≥5T的条件下，Fe5GeTe2层状材料的平均厚度为188nm。
在一些实施例中，所述第一预设角度与所述第二预设角度相同或不同。
在一些实施例中，所述第一预设角度为90°或0°；在该条件下，磁阻角度传感器底面磁阻片20的工作面与基准面垂直或平行。便于磁阻角度传感器设置在待校准机构上。
所述第二预设角度为90°或0°。在该条件下，磁阻角度传感器底面磁阻片20的工作面与磁场方向垂直或平行。当出现角度偏差时，纵向电阻值将偏移稳定位置。
实施例1
将Cr/Au(5nm/50nm)电极沉积在热氧化硅基底10上。电极包括沿x方向的第一组电极和沿y方向的第二组电极。
通过透明胶带从块状单晶Fe5GeTe2上机械剥离得到Fe5GeTe2薄片，其中，Fe5GeTe2薄片的厚度为17nm。该Fe5GeTe2薄片的某一根AFM阶梯图，如图12所示。
然后通过聚二甲基硅氧烷将薄片转移到第一组电极和第二组电极上。为了避免降解，这些器件被六方氮化硼(h-BN)薄膜封装，得到Fe5GeTe2器件，即构成了磁阻角度传感器中的一个传感单元。所有制备过程均在惰性气体手套箱内进行，氧气和水含量保持在远低于0.01ppm。
Fe5GeTe2器件的磁输运测量在Quantum Design设计的物理特性测量系统(Physical Properties Measurement System,PPMS)中进行，温度范围为10K至300K，磁场范围为0-9T。电流(I)由Keithley 2400源表提供。其中，电压为70mV，电流为0.2mA，可以视为工作电路40。
纵向(x方向)和霍尔电阻(y方向)由两组Keithley 2182A纳伏表同时测量，可以视为信号处理电路50。
其中，磁场B的磁场方向在zx平面内偏转(z方向为磁阻片20的厚度方向，同时垂直于y方向和x方向)。磁场方向与z方向的夹角为θ，当θ为0°时，B平行于z方向；当θ为90°时，B平行于x方向。测量磁场B在不同的磁场大小下，纵向电阻和霍尔电阻与磁场角度的关系，测量结果如图5～9所示。
实施例2
将Cr/Au(5nm/50nm)电极沉积在热氧化硅基底10上。电极包括沿x方向的第一组电极和沿y方向的第二组电极。
通过透明胶带从块状单晶Fe5GeTe2上机械剥离得到Fe5GeTe2薄片，其中，Fe5GeTe2薄片的厚度为44nm。该Fe5GeTe2薄片的某一根AFM阶梯图，如图13所示。
然后通过聚二甲基硅氧烷将薄片转移到第一组电极和第二组电极上。为了避免降解，这些器件被六方氮化硼(h-BN)薄膜封装，得到Fe5GeTe2器件，即构成了磁阻角度传感器中的一个传感单元。所有制备过程均在惰性气体手套箱内进行，氧气和水含量保持在远低于0.01ppm。
Fe5GeTe2器件的磁输运测量在Quantum Design设计的物理特性测量系统(Physical Properties Measurement System,PPMS)中进行，温度范围为10K至300K，磁场范围为0-9T。电流(I)由Keithley 2400源表提供。其中，电压为40mV，电流为0.5mA，可以视为工作电路40。
纵向(x方向)和霍尔电阻(y方向)由两组Keithley 2182A纳伏表同时测量，可以视为信号处理电路50。
其中，磁场B的磁场方向在zx平面内偏转(z方向为磁阻片20的厚度方向，同时垂直于y方向和x方向)。磁场方向与z方向的夹角为θ，当θ为0°时，B平行于z方向；当θ为90°时，B平行于x方向。测量磁场B在不同的磁场大小下，纵向电阻与磁场角度的关系，测量结果如图10所示。
实施例3
将Cr/Au(5nm/50nm)电极沉积在热氧化硅基底10上。电极包括沿x方向的第一组电极和沿y方向的第二组电极。
通过透明胶带从块状单晶Fe5GeTe2上机械剥离得到Fe5GeTe2薄片，其中，Fe5GeTe2薄片的厚度为188nm。该Fe5GeTe2薄片的某一根AFM阶梯图，如图14所示。
然后通过聚二甲基硅氧烷将薄片转移到第一组电极和第二组电极上。为了避免降解，这些器件被六方氮化硼(h-BN)薄膜封装，得到Fe5GeTe2器件，即构成了磁阻角度传感器。所有制备过程均在惰性气体手套箱内进行，氧气和水含量保持在远低于0.01ppm。
Fe5GeTe2器件的磁输运测量在Quantum Design设计的物理特性测量系统(Physical Properties Measurement System,PPMS)中进行，温度范围为10K至300K，磁场范围为0～9T。电流(I)由Keithley 2400源表提供。其中，电压为30mV，电流为0.5mA，可以视为工作电路40。
纵向(x方向)和霍尔电阻(y方向)由两组Keithley 2182A纳伏表同时测量，可以视为信号处理电路50。
其中，磁场B的磁场方向在zx平面内偏转(z方向为磁阻片20的厚度方向，同时垂直于y方向和x方向)。磁场方向与z方向的夹角为θ，当θ为0°时，B平行于z方向；当θ为90°时，B平行于x方向。测量磁场B在不同的磁场大小下，纵向电阻与磁场角度的关系，测量结果如图11所示。
分析
比较实施例1～3的结果可知，当磁场B根据图2所示在xz面进行旋转时，纵向电阻与角度具有可量化的特殊关系，为了量化数据与简便性，采用ADMR描述纵向电阻随角度的变化。定义ADMR为[R(θ)-R(0)]/R(0)×100％。定义角度θ为磁场与薄膜法线方向的夹角，即磁场方向与+z方向的夹角。
图5展示了17nm的Fe5GeTe2薄膜在温度为160K、210K、250K和300K，磁场大小固定在7T时的ADMR。其中θ＝0°表示磁场方向垂直薄膜(即磁场方向沿+z方向)，θ＝90°表示磁场方向平行薄膜(即磁场方向沿+x方向)，θ＝180°表示磁场方向沿-z方向，θ＝270°表示磁场方向沿-x方向。显然，在该温度范围内，ADMR与角度呈现二倍角的关系，当θ＝0°时，ADMR具有最小值，代表磁场方向此时垂直于薄膜，当θ＝90°时ADMR具有最大值，代表磁场此时平行于x方向。而当θ＝0～90°之间的任意值时，因为二倍角的关系，ADMR也能具有某一固定值。由于周期性，此时单独的Fe5GeTe2薄膜可应用于0～90°之间的角度传感器。随着温度从160K逐渐上升至300K，ADMR的幅值逐渐减小，但变化趋势依旧不变，且曲线的形状随温度上升更加接近余弦函数的二倍角关系，因此，因此当温度在160K～300K，磁场大于5T时，厚度为17nm的Fe5GeTe2薄膜可以应用于角度传感器，且温度越接近室温，磁阻角度传感器效果越好。
图6展示了17nm的Fe5GeTe2薄膜在温度为300K，磁场大小固定在7T时，横坐标前后平移45°的ADMR。由图4的结果可知，因为ADMR的周期特性，单独的Fe5GeTe2薄膜只可应用于0～90°之间的角度传感器，任意一个ADMR值对应四个θ值。(如45°、135°、225°和315°的ADMR都是一个值)为了让每个ADMR对应更少的θ值，把两个相同的Fe5GeTe2薄膜交叠设置，交线平行于y轴，膜面成45°夹角。这样达成ADMR前后平移45°的效果。显然，通过图5中两条曲线的差值与角度的变化可以使得任意一个ADMR值仅对应两个θ值。(45°和225°的对应，135°和315°对应)
图7展示了17nm的Fe5GeTe2薄膜在温度为300K，磁场大小固定在7T时霍尔电阻Rxy与角度θ的关系。显然霍尔电阻与角度呈现余弦函数的一倍角关系，0-180度和180-360度的数据一一对应，因此对于某个ADMR值，霍尔电阻可区分相应的角度是位于0-180度还是180-360度。至此，通过两个相同的Fe5GeTe2薄膜组成的角度传感器，可检测0-360度的任意角度。
图8展示了17nm的Fe5GeTe2薄膜在温度为10K，磁场分别为5T、7T和9T时的ADMR。显然，在该磁场范围内，ADMR和角度θ有着余弦函数的二倍角和四倍角叠加的关系，由于四倍角的因素，清晰可见当角度为90度时，ADMR具有最大值，且该最大值的形成的峰非常陡峭，当角度在90度附近发生微小的变化，都会使得ADMR的值发生非常显著的变化，因此可作为角度传感器精准且快速的探测到θ等于90度和270度这两个方位，且对其他结构进行校准时，具有极高的灵敏度。
图9显示了17nm的Fe5GeTe2薄膜在温度为10K、20K和30K，磁场大小固定在7T时的ADMR。清晰可见，四倍角行为导致90度的高峰在低温下十分明显，并随着温度的升高逐渐受到抑制，在T＝30K的峰高只有T＝10K峰高的一半，但峰依然陡峭，作为角度传感器对其他结构进行校准时，依旧具有极高的灵敏度。因此，当温度范围为10K～30K，磁场范围为5T～9T时，Fe5GeTe2薄膜因为其ADMR与角度θ的关系，可作为校准器使用，且具有灵敏度极高的特点。
图10显示了厚度为44nm的Fe5GeTe2薄膜在温度为160K、210K和250K时，磁场大小固定在7T的ADMR。与17nm的Fe5GeTe2薄膜具有相似的性质，唯一的区别在于，随着厚度的增大，Fe5GeTe2薄膜的ADMR与角度保持二倍角的温度范围发生变化，17nm的Fe5GeTe2薄膜的温度范围是160K～300K，而44nm的Fe5GeTe2薄膜的温度范围是160K～250K。因此，17nm的Fe5GeTe2薄膜制备的角度传感器能在室温下使用，但是44nm的Fe5GeTe2薄膜制备的角度传感器，需要在低于室温的条件下使用。
图11显示了厚度为188nm的Fe5GeTe2薄膜在温度为160K和170K时，磁场大小固定在7T的ADMR。与17nm和44nm的Fe5GeTe2薄膜具有相似的性质，同样，随着厚度的增大，Fe5GeTe2薄膜的ADMR与角度保持二倍角的温度范围也发生变化，188nm的Fe5GeTe2薄膜的温度范围是160K～170K。因此188nm的Fe5GeTe2薄膜制备的角度传感器，需要在该温度范围内才能有效使用。总而言之，角度传感器的使用温度范围与厚度相关，只有当厚度足够小，角度传感器的适用温度才能包括室温。随着Fe5GeTe2薄膜厚度的增加，角度传感器的使用温度范围越来越低。
综上所述，对于17nm～188nm的Fe5GeTe2薄膜，当温度范围为160K～300K，磁场范围为5T～9T时，因为其ADMR与角度θ呈现余弦函数二倍角，以及霍尔电阻与角度θ呈现余弦函数一倍角的关系，可由Fe5GeTe2薄膜单独组成一型磁阻角度传感器，检测0～90度的角度范围；也可将两个相同Fe5GeTe2薄膜交叠设置，交线平行于y轴，膜面成45度夹角，组成二型磁阻角度传感器，利用第一个Fe5GeTe2薄膜的ADMR和霍尔电阻与角度的关系，以及第二个Fe5GeTe2薄膜的ADMR与角度的关系，可以检测0～360度的角度范围。磁阻角度传感器使用时需注意温度和厚度特性。在160K～300K的适用温度范围内，越接近室温，磁阻角度传感器的效果越好。厚度越小，磁阻角度传感器的适用温度范围越广。例如，当厚度够小(17nm)，那么可在室温下使用，如果厚度较大(44nm)，那么使用温度需要低于室温(如零下摄氏度)，如果厚度特别大(188nm)，那么只能在更低温使用(160K附近)。对于17nm的Fe5GeTe2薄膜，当温度范围为10K～30K，磁场范围为5T～9时，因为其ADMR与角度θ中四倍角的关系，可由单个Fe5GeTe2薄膜组成一型磁阻角度传感器，虽然仅能用于快速探测θ等于90度和270度这两个方位，但具有极高敏感度的特点。
本发明的上述技术方案中，以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的技术构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围。
Claims (10)
1.Fe5GeTe2材料在磁阻角度传感器中的应用，其特征在于，所述磁阻角度传感器包括传感单元，所述传感单元中磁阻片的材料为Fe5GeTe2层状材料，所述Fe5GeTe2层状材料的平均厚度为17nm～188nm。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述Fe5GeTe2层状材料的平均厚度为17nm～44nm。
3.一种磁阻角度传感器，其特征在于，所述磁阻角度传感器包括至少一个传感单元，所述传感单元中磁阻片的材料为Fe5GeTe2层状材料，所述Fe5GeTe2层状材料的平均厚度为17nm～188nm。
4.根据权利要求3所述的磁阻角度传感器，其特征在于，所述传感单元的数量为1个，所述传感单元包括均与所述磁阻片电性连接的工作电路和信号处理电路，所述信号处理电路用于测量所述磁阻片的纵向电阻；所述纵向电阻为所述工作电路在与所述磁阻片上的两个接入点之间的电阻。
5.根据权利要求3所述的磁阻角度传感器，其特征在于，所述传感单元的数量为2个；
任一所述传感单元包括均与所述磁阻片电性连接的工作电路和信号处理电路，所述信号处理电路用于测量所述磁阻片的纵向电阻；并且，至少一个所述传感单元中的所述信号处理电路用于测量所述磁阻片的霍尔电阻；
所述纵向电阻为所述工作电路在与所述磁阻片上的两个接入点之间的电阻；
所述霍尔电阻的测量方向垂直于所述工作电路施加在所述磁阻片内形成电流的电流方向；
两个所述传感单元对应霍尔电阻的测量方向平行，且两个所述传感单元的工作面夹角为45°。
6.一种如权利要求3～5中任一项所述磁阻角度传感器在角度校准中的应用，其特征在于，包括以下步骤：
将磁阻角度传感器设置于待校准机构的基准面上，其中，所述磁阻角度传感器中的任一传感单元中磁阻片的工作面与所述基准面维持第一预设角度；
在校准区域内的磁场方向与所述基准面的目标平面维持第二预设角度、且温度为160K～25℃的条件下，调整所述基准面与所述目标平面的角度，至任一传感单元中的输出电阻达到目标值；其中，所述目标平面为校准状态下所述基准面所处平面，磁场≥5T；所述输出电阻包括对应磁阻片输出的纵向电阻和霍尔电阻。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，在校准区域温度为160K～25℃且磁场范围为磁场≥5T的条件下，Fe5GeTe2层状材料的平均厚度为17nm。
8.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，在校准区域温度为160K～250K且磁场范围为磁场≥5T的条件下，Fe5GeTe2层状材料的平均厚度为44nm。
9.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，在校准区域温度为160K～170K且磁场范围为磁场≥5T的条件下，Fe5GeTe2层状材料的平均厚度为188nm。
10.根据权利要求6中任一项所述的应用，其特征在于，所述第一预设角度为90°或0°；所述第二预设角度为90°或0°。
Priority Applications (1)
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