石墨烯EMR效应在高精度磁场探测中的应用研究

In order to fulfill the requirement of instrument miniaturization for precision space magnetic field exploration, this project will develop one kind of precision magnetometer based on Extreme Magneto Resistance (EMR) effect of graphene. Graphene is composed of a single layer of carbon atom, known as the thinnest two-dimensional materials in the world, has very high carrier mobility. Graphene has Extreme Magneto Resistance (EMR) effect, this property increases the magnetoresistance change rate to 55000%, and the sensitivity coefficient can reach 1kΩ /T, much higher than conventional reluctance, giant magnetic resistance material, and has very good temperature stability, which is very promising for the application of precision magnetic field measurement..This program will analys the mechanism of graphene EMR effect, exploring the graphene EMR magnetic field sensor processing, sensor parameters experimental research, and develop a precision of graphene EMR magnetic field sensor, build a test system, complete the performance of the graphene EMR sensor with calibration test. The graphene EMR magnetic field sensor will be developed on chip size, range +/-100000nT, noise level less than 10nT, the frequency response is better than 1MHz, and has excellent adaptability of space environment.

本项目针对高精度空间磁场探测仪器微小型化的需求，开展基于石墨烯的异常磁阻效应的高精度磁场传感器研究。石墨烯由单层碳原子原子构成，是目前所发现的最薄的二维材料，具有极高的载流子迁移率。石墨烯具有异常磁阻特性（EMR），其磁阻变化率可以达到55000%，灵敏度系数可以达到1kΩ/T，远远高于常规的磁阻、巨磁电阻材料，并具备非常优秀的温度稳定性，非常有希望应用于高精度磁场探测领域。.本项目拟开展石墨烯EMR磁场探测机理分析，探索石墨烯EMR磁场传感器加工工艺，对传感器工艺参数进行试验研究，在此基础上研制高精度石墨烯EMR磁场传感器，并搭建测试试验系统，完成石墨烯EMR传感器高精度性能定标测试。所研制的石墨烯EMR磁场传感器大小为芯片尺寸，量程+/-100,000nT，噪声小于10nT，频率响应优于1MHz，并具备优异的空间环境适应性。

空间科学研究在近年来获得了快速发展，同时对空间探测技术也提出了新的要求。对于磁强计的研制，需要在保证精度的前提下尽量减小体积、质量，提高可靠性并缩短研发周期。开发基于新材料、新原理的磁场传感器是实现上述目标的重要途径之一。石墨烯具有优异的电学、机械特性，它的EMR效应可在宽泛的温度区间下测量磁场，但目前将其用于弱磁测量的研究还较为匮乏。本项目开展了基于石墨烯的弱磁传感器技术研究，对石墨烯EMR类器件的性能进行了理论分析和仿真计算，设计了器件几何结构，在此基础上研制了石墨烯弱磁传感器，测试了它们的磁响应特性，并对测试结果进行了详细的理论分析，进一步地搭建了低噪声磁探测系统，探索了石墨烯用于弱磁测量的可行性。.本项目在分析石墨烯EMR物理效应的基础上，建立了石墨烯EMR元件的有限元模型，提出了金属分流结构偏心的器件几何结构设计，仿真分析了偏心距和偏心角对EMR元件输出灵敏度的影响，完成了器件的最优结构设计。进一步，工艺实现了偏心范德堡形石墨烯EMR元件，并对其磁响应特性进行了测试。研制的偏心范德堡形石墨烯EMR元件在±0.1 T磁场范围内灵敏度为2.6 V/(AT)，有效克服了同心EMR元件弱场下灵敏度极低、无法测量磁场矢量的缺点，为石墨烯EMR元件设计、优化提供了一个新的角度。研制的低噪声石墨烯磁测系统相比传统测量方法将噪声降低了近40 dB，实现了为4.70×10-5 T/Hz0.5@1Hz的磁场测量分辨率，可以大大降低石墨烯EMR元件的加工工艺要求，扩展石墨烯EMR元件的应用领域。