【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于量子物理與量子測量，具體涉及一種基于層間弱耦合器件的量子磁標及其制備方法。
技術介紹
1、磁場強度是自然界中重要的物理量之一，如何測量磁場強度在現代科技領域中具有廣泛的應用價值。例如，高精度的磁場測量在物理學、材料科學、地質勘探、醫學成像和工業檢測等領域扮演著至關重要的角色。磁場的精確測量和標定依賴于高性能的磁標(磁場標定裝置)，磁標的工作原理可以為經過標定的霍爾磁場傳感器、核磁共振測場儀等。隨著對極端環境中高精度磁場測量的需求增加，研究和開發具有更高精度、靈敏度和對強磁場、極低溫、特高壓等極端環境適用的磁標成為物理學和計量學研究的重要方向。
2、傳統的磁場標定技術依賴于一系列成熟的方法，如核磁共振(nmr)磁標和超導量子干涉儀(squid)，這些方法通常用于高精度磁場測量。核磁共振技術通過測量磁場中的原子核自旋拉莫進動頻率與磁場強度的線性關系來實現磁場標定。這種方法的優點包括高穩定性、測量精度高(準確度可達1ppm量級，線性度可達到0.1ppm量級)。然而，核磁共振技術對磁場均勻度要求極高，且設備復雜、探頭體積較大，通常場的空間分辨率不高。同時，核磁共振系統價格昂貴，維護成本較高，難以滿足便攜式和微型化的需求。超導量子干涉儀(squid)是一種高靈敏度磁通測量裝置，當用于弱磁場測量時需要首先標定磁通耦合線圈的有效面積，且由于squid屬于非線性器件，極易受到環境磁場干擾而造成磁通鎖定環路失鎖而不能正常工作這就限定了squid只能工作于磁屏蔽環境良好的實驗室環境，極大限制了其應用范圍。這些傳統磁標技術的
3、石墨烯是近些年在納米材料領域中取得突破性進展的一種新型二維材料，具有獨特的物理特性，包括超高的電導率、機械強度、柔韌性和透明度。石墨烯的電子能帶結構在低溫和強磁場下可以形成量子霍爾效應，這種現象為磁場的高精度量子化標定提供了理論基礎。量子霍爾效應是指在低溫強磁場環境下，二維電子系統中的電子運動受限于朗道能級，電子電導呈現量子化跳變。對于理想的二維系統，電導率是量子化的，且與普朗克常數h和電子電荷之間有明確的關系：σ＝e2/h*n，其中，n是量子化的整數值。基于這種量子化的電導率有望實現一種溯源到基本物理常數的磁場高精度標定方法，實現對低溫強磁場的原位標定。因此探索基于石墨烯體系，發展具有原位磁場標定能力的新型測量即標準的量子磁強計具有非常廣闊的應用前景。
技術實現思路
1、本專利技術的目的在于提供了一種層間弱耦合器件及其制備方法，使用二維層狀石墨烯等低溫下具有高遷移率特性的材料作為轉角體系的中間核心層材料，實現層間弱耦合大角度轉角雙珊器件。
2、本專利技術的另目的在于提供了一種基于該器件的量子磁標及其制備方法，基于層間弱耦合大角度轉角體系量子化的朗道能級交叉處，實現層間電荷轉移的臨界位移電場與磁場比值量子化原理，是一種新型量子磁標，可廣泛應用于量子技術、精密測量以及高場物理實驗中，尤其是適用于極低溫、強磁場極端環境下磁場強度標定。
3、為達到上述目的本專利技術采用了以下技術方案：
4、一方面，本專利技術提供了一種層間弱耦合器件，包括從下至上依次設置的襯底、底部柵極、底部封裝層、大角度層間轉角層和頂部封裝層，在所述頂部封裝層兩側設置有多個接觸電極，與所述大角度層間轉角層形成歐姆接觸，在所述頂部封裝層上依次設置有絕緣電介質層和頂部柵極。
5、進一步，所述大角度層間轉角層的厚度不大于100nm，使用兩層低溫下具有高遷移率的材料，例如多層石墨烯、過渡族金屬硫族化合物等其它具有高遷移率的二維材料制備的異質或同質結體系，可選用二維層狀石墨烯，兩層二維層狀石墨烯間通過范德華相互作用實現大角度的轉角。
6、再進一步，所述大角度層間轉角層使用兩層二維層狀石墨烯，兩層二維層狀石墨烯間通過范德華相互作用實現大角度的轉角。
7、進一步，所述襯底為sio2基底、si基底、sic基底、石英基底、云母片或柔性基底中的一種。
8、進一步，所述底部柵極、頂部柵極和接觸電極均為導電材料，例如bi、cr、ti、au、pd、sc、ag、ni以及少層石墨烯之一種或多種，所述底部封裝層、頂部封裝層和絕緣電介質層均為絕緣體材料，可采用六方氮化硼、hflao、hfo2或al2o3等。
9、進一步，所述底部柵極和頂部柵極的厚度為1nm～1000nm，所述底部封裝層的厚度為1nm～100nm，所述頂部封裝層的厚度為10nm～100nm。
10、第二方面，本專利技術提供了一種層間弱耦合器件的制備方法，包括以下步驟：
11、步驟1，在襯底上制備底部柵極和底部封裝層；
12、步驟2，將大角度層間轉角層和頂部封裝層轉移至底部封裝層上，形成異質結構；
13、步驟3，將異質結構圖形化成霍爾條形狀后，在異質結上制備接觸電極；
14、步驟4，依次在頂部制備頂部封裝層與頂部柵極，至此制得層間弱耦合器件(可測量橫向和縱向電阻的雙柵可調控的器件)。
15、進一步，所述底部封裝層、大角度層間轉角層、頂部封裝層和絕緣電介質層的制備均利用范德華力，采用電子束曝光結合反應離子刻蝕方式將異質結構圖形化成霍爾條形狀，采用蒸鍍金屬方法制備底部柵極、頂部柵極和接觸電極。
16、第三方面，本專利技術提供了一種基于層間弱耦合器件的量子磁標，在低溫(t＝5k及以下溫度)和強垂直方向磁場(b＝5t及以上強度的磁場)條件下，利用層間弱耦合器件中縱向電阻的量子化朗道能級交叉形成的量子化的棋盤格中相鄰兩交叉峰之間層間位移電場差值與磁場比值的量子化現象，建立磁場與位移電場差值之間的線性標度關系，實現高精度的低溫、強磁場環境下的磁場強度標定。
17、該朗道能級交叉點在繼續增加垂直方向磁場強度的條件下，每一個交叉點由于自旋和能谷的劈裂，將演變成四乘四的量子化朗道能級交叉矩陣，即呈現出四乘四交叉點的量子化棋盤格電子態。在這樣均勻大小的棋盤單元中，沿垂直電場方向(定義為y方向)，每一對相鄰的高電阻格點(此格點為沿相鄰兩個量子霍爾填充態的交界處)的電場差值δd與此時垂直磁場b的比值是一個量子化的數值，即δd/b＝e2/h(e為元電荷，h為普朗克常量)。其物理原因是在雙層朗道能級總填充系數不變的前提下，驅動兩近鄰交叉點之間發生層間電荷轉移的電場臨界條件與磁場強度的比值，滿足單位電荷與單位量子磁通成正比。而在這樣均勻大小的棋盤單元中，沿載流子濃度(或量子填充系數)方向(定義為x方向)，相鄰填充系數之間也是量子化e2/h的整數1倍。因此每個四乘四棋盤格單元在x和y兩個方向上大小相等。
18、量子化棋盤格可以通過下列方法獲得：低溫磁場下，對雙柵結構的器件進行層間位移電場、載流子濃度參數空間內的縱向電阻測量。
19、具有全部或部分量子化的棋盤格，在較低磁場下進行標定，本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種層間弱耦合器件，其特征在于，包括從下至上依次設置的襯底(8)、底部柵極(7)、底部封裝層(6)、大角度層間轉角層(5)和頂部封裝層(4)，在所述頂部封裝層(4)兩側設置有多個接觸電極(3)，與所述大角度層間轉角層(5)形成歐姆接觸，在所述頂部封裝層(4)上依次設置有絕緣電介質層(2)和頂部柵極(1)。
2.根據權利要求1所述的一種層間弱耦合器件標，其特征在于，所述大角度層間轉角層(5)的厚度不大于100nm，使用兩層低溫下具有高遷移率的材料。
3.根據權利要求2所述的一種層間弱耦合器件標，其特征在于，所述大角度層間轉角層(5)使用兩層二維層狀石墨烯，兩層二維層狀石墨烯間通過范德華相互作用實現大角度的轉角。
4.根據權利要求1所述的一種層間弱耦合器件標，其特征在于，所述襯底(8)為SiO2基底、Si基底、SiC基底、石英基底、云母片或柔性基底中的一種。
5.根據權利要求1所述的一種層間弱耦合器件，其特征在于，所述底部柵極(7)、頂部柵極(1)和接觸電極(3)均為導電材料，所述底部封裝層(6)、頂部封裝層(4)和絕緣電介質層(2
6.一種權利要求1-5任一項所述的層間弱耦合器件的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
7.根據權利要求6所述的一種層間弱耦合器件的制備方法，其特征在于，所述底部封裝層(6)、大角度層間轉角層(5)、頂部封裝層(4)和絕緣電介質層(2)的制備均利用范德華力，采用電子束曝光結合反應離子刻蝕方式將異質結構圖形化成霍爾條形狀，采用蒸鍍金屬方法制備底部柵極(7)、頂部柵極(1)和接觸電極(3)。
8.一種基于權利要求1-4任一項所述的層間弱耦合器件的量子磁標，其特征在于，在低溫和強垂直方向磁場條件下，利用層間弱耦合器件中縱向電阻的量子化朗道能級交叉形成的量子化的棋盤格中相鄰兩交叉峰之間層間位移電場差值與磁場比值的量子化現象，建立磁場與位移電場差值之間的線性標度關系，實現高精度的低溫、強磁場環境下的磁場強度標定。
9.根據權利要求8所述的一種基于層間弱耦合器件的量子磁標，其特征在于，通過多次測量多個所述棋盤格沿層間電場方向相鄰高電阻態格點的差值，用于提高精確度。
10.一種權利要求8所述的基于層間弱耦合器件的量子磁標的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
...【技術特征摘要】
1.一種層間弱耦合器件，其特征在于，包括從下至上依次設置的襯底(8)、底部柵極(7)、底部封裝層(6)、大角度層間轉角層(5)和頂部封裝層(4)，在所述頂部封裝層(4)兩側設置有多個接觸電極(3)，與所述大角度層間轉角層(5)形成歐姆接觸，在所述頂部封裝層(4)上依次設置有絕緣電介質層(2)和頂部柵極(1)。
2.根據權利要求1所述的一種層間弱耦合器件標，其特征在于，所述大角度層間轉角層(5)的厚度不大于100nm，使用兩層低溫下具有高遷移率的材料。
3.根據權利要求2所述的一種層間弱耦合器件標，其特征在于，所述大角度層間轉角層(5)使用兩層二維層狀石墨烯，兩層二維層狀石墨烯間通過范德華相互作用實現大角度的轉角。
4.根據權利要求1所述的一種層間弱耦合器件標，其特征在于，所述襯底(8)為sio2基底、si基底、sic基底、石英基底、云母片或柔性基底中的一種。
5.根據權利要求1所述的一種層間弱耦合器件，其特征在于，所述底部柵極(7)、頂部柵極(1)和接觸電極(3)均為導電材料，所述底部封裝層(6)、頂部封裝層(4)和絕緣電介質層(2)均為絕緣體材料，所述底部柵極(7)和頂部柵極(1)的厚度為1nm～1000nm，所述底部封裝層(6)的...
【專利技術屬性】
技術研發人員：董寶娟，趙凱，韓拯，張靖，王漢文，趙建亭，
申請(專利權)人：山西大學，
類型：發明
國別省市：
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