[发明专利]一种超导-拓扑半金属复合式磁探测器

说明书

一种超导‑拓扑半金属复合式磁探测器，涉及一种超导磁探测器，包括超导层(1)及拓扑半金属层(2)。所述的超导层(1)为闭合超导环路结构，超导环路中的一段区域采用电流压缩区域。拓扑半金属层为锯齿形条状结构。拓扑半金属层(2)位于超导层(1)闭合环路中电流压缩区域内侧，且拓扑半金属层(2)与超导层(1)中电流压缩区域之间的间距小于超导层(1)中电流压缩区域的宽度。

技术领域

本发明涉及一种超导磁探测器。

背景技术

高灵敏度磁强计在科学研究、国防军工、工业生产以及医疗等领域都发挥着重要作用。目前，超导量子干涉器件(SQUID器件)是探测fT量级超低磁场的主要探测器件。目前，SQUID器件的磁场探测精度可以达到10fT以下。然而，SQUID器件存在器件中的约瑟夫森结不易制备，成品率较低，器件的磁场线性响应区间小，需要加入磁通锁定等辅助电子设备等缺陷，制约了SQUID器件的大规模应用。近年来，法国科学家通过将超导材料作为磁通-磁场放大装置代替传统的高磁导率材料并与巨磁电阻(GMR)相结合，制备出了磁场探测精度达到10fT量级的超导-巨磁电阻磁传感器。该类器件具有体积小、噪声小、结构简单、探测精度高的优点。然而，该类器件也存在如下不足之处：首先，GMR为多层膜结构，其中包含的铁磁钉扎层容易受到温度的影响；其次，超导-巨磁电阻磁传感器需要制备巨磁阻-超导复合多层膜结构，这也增加了该类器件的制备难度。

发明内容

本发明的目的是克服现有超导量子干涉器件(SQUID器件)存在的约瑟夫森结制备困难，磁场线性响应区间小，需要加入磁通锁定等辅助电子设备等缺陷，以及超导-巨磁电阻磁传感器存在的巨磁阻-超导复合多层膜结构不易制备，GMR多层膜结构中容易出现磁滞效应等不足，提出一种新的超导-拓扑半金属复合式磁探测器。本发明提出的超导-拓扑半金属复合式磁探测器可以解决超导类弱磁探测器，包括SQUID器件以及超导-巨磁电阻磁传感器普遍存在的约瑟夫森结成品率低、巨磁阻-超导复合多层膜结构制备工艺复杂，以及性能方面存在的线性响应区间小、低温下易出现磁滞等技术问题。

本发明超导-拓扑半金属复合式磁探测器包括超导层以及拓扑半金属层。所述的超导层为闭合超导环路，超导环路中存在一段电流压缩区域，所述的电流压缩区域的环路宽度小于超导环路其余部分的宽度，为一狭窄区域。所述的拓扑半金属层为锯齿形条状结构，拓扑半金属层位于超导层中电流压缩区域的内侧，拓扑半金属层与超导层中电流压缩区域之间的间距小于超导层中电流压缩区域的宽度，拓扑半金属层的长度小于超导层中电流压缩区域的长度。

所述的超导层用于感应外部磁场，并在闭合环路中产生超导屏蔽电流；当超导屏蔽电流流过电流压缩区域时，超导屏蔽电流密度增大，并在电流压缩区域附近产生增强的感应磁场。根据拓扑半金属材料的电阻随磁场单调变化的关系，通过外部测试电路测量拓扑半金属层两端的电压，可以计算得出电流压缩区域附近产生增强的感应磁场强度，并进一步计算得出外磁场的强度。

所述的拓扑半金属层选用五碲化铪或锑化镧或磷化钨或磷化铌制作；所述的超导层选用钇钡铜氧制作。

所述的超导层及拓扑半金属层通过磁控溅射或化学气相沉积或分子束外延薄膜生长工艺制备。

相比于现有的技术，本发明具有如下优点：

1、本发明仅包括超导层以及拓扑半金属层，且超导层和拓扑半金属层分别是简单的图形，并不存在复杂结构，因此克服了SQUID器件存在的约瑟夫森结制备困难的缺陷。

2、本发明中的超导层和拓扑半金属层处于同一平面的不同位置，没有发生交叠，因此克服了超导-巨磁电阻磁传感器存在的巨磁阻-超导复合多层膜结构不易制备的困难。

3、本发明中拓扑半金属层的电阻随磁场单调变化的工作区间可以达到1T以上，远大于SQUID器件和超导-巨磁电阻磁传感器，因此克服了SQUID器件存在的磁场线性响应区间小，需要加入磁通锁定等辅助电子设备的缺陷。