[发明专利]一种双参数、高灵敏度的有机小分子半导体薄膜磁性传感器

说明书

技术领域

本发明与有机半导体器件有关，涉及磁性传感器技术领域。

背景技术

磁性传感器通常使用于小型磁铁工作的物体上，通过捕获磁场的强度及其变化，为检测物体的接近、移动或旋转等行为提供了一种独特的手段。使用磁性传感器的历史相当久远，一些传统的应用：例如，利用齿轮传感器测量齿轮的转速，应用线圈型传感器来触发埋在道路中的红绿灯信号的电路回路，以及用霍尔装置制作旋转位置传感器和电流传感器等，由于价格、尺寸和可靠性多方面因素的不足，这些传统的磁性传感器在市场规模上已经呈现饱和状态。

进入21世纪后，由于在小型化方面取得了巨大进展，全集成型的磁性传感器需求量正在急剧增大。目前市面上广泛流行的是磁电阻(MR)传感器，其原理是：当在铁磁合金薄带的长度方向施加一个电流时，如果在垂直于电流的方向再施加磁场，铁磁性材料中就有磁阻的非均质现象出现，从而引起合金带自身的阻值变化。此类传感器通常由各向异性磁电阻(AMR)材料和巨磁电阻(GMR)材料制作而成，前者通常是由一长条铁磁薄膜(如透磁合金镍铁合金)，并用半导体技术将这些薄膜熔制在硅片上；而后者的结构则是数层很薄(25~50埃)的铁磁层和非磁层交替生长(FM/NM/FM/NM/FM…)在半导体基底上(如硅等)而形成。理论预言，若将其用在小型化和微型化高密度记录读出头、随机存取存储器中可使存储密度获得极大的提高(约为100倍)。

迄今为止，人们在磁传感器的材料选择上还主要集中在无机的磁性金属材料上，而用不含任何磁性层的有机材料研制的半导体薄膜磁性传感器，目前还处于研究状态。由于有机半导体材料，较传统的AMR和GMR材料，拥有材料选择范围宽、电子自旋扩散长度长、电子结构易调节、所需工艺简单以及能够制作成柔性衬底器件等诸多优势，因此国际上目前正在积极研制有机半导体高灵敏度磁传感器，但至今尚未实现产业化。

发明内容

本发明的目的在于针对传统技术存在的上述不足，在现有技术的基础上，研制出一种全新理念的磁性传感器，即基于有机小分子半导体材料的薄膜磁性传感器。

本发明的技术方案如下：

一种双参数、高灵敏度的有机小分子半导体薄膜磁性传感器，所述磁性传感器是基于有机电致发光材料tris(8-hydroxyquinolato)aluminum(Alq3)的有机半导体薄膜器件，所述磁性传感器的结构由下至上为：衬底、导电透明阳极indium tin oxide(ITO)、有机材料功能层和lithium fluoride(LiF)/Al阴极，所述有机材料功能层依次由一空穴传输层N，N′-bis(naphthalen-1-y)-N，N′-bis(phenyl)benzidine(NPB)，一传感层Alq3：3％4-dicyanomethylene-2-methyl-6-p-dimethylaminostyryl-4H-pyran(DCM)和一电子传输层Alq3组成。所述磁性传感器的电致发光强度由一个硅光电探头测得并通过数字万用表输出，所得信号最后由计算机通过数据采集模块进行采集。

其中有机材料Alq3、NPB和DCM的化学分子式如下：

所述磁性传感器在垂直一维方向上的总厚度为340nm。

所述导电透明阳极ITO的厚度为100nm，有机材料功能层的厚度为140nm，LiF/Al阴极的厚度为100nm；阳极、有机材料功能层和阴极的厚度比为5∶7∶5。

所述有机材料功能层的中空穴传输层NPB的厚度为60nm、传感层Alq3：3％DCM的厚度为50nm，电子传输层Alq3的厚度为30nm；NPB、Alq3：DCM和Alq3的厚度比例为6∶5∶3。

所述掺杂剂采用红色荧光染料DCM，掺杂浓度即掺杂剂占发光层的质量百分比为3％。

所述衬底采用柔性衬底或普通玻璃衬底。

本发明首创性地将有机小分子发光材料(八羟基喹啉铝Tris-(8-Hydroxy)QuinolineAluminum(Alq3))应用在磁传感器上，开发出一种全新的半导体器件。在该方案中，申请人充分考虑了产品在实际使用情况下，可能存在的问题(包括产品的能耗、实际操作和可靠性等)，同时把设备的稳定性放在首要位置上，也兼顾了实现产业化的成本投入。