[发明专利]一种低功耗的氢气检测方法

说明书

一种低功耗的氢气检测方法，为如下检测材料结构，包括自旋极化层、设置在自旋极化层上的阻隔层、设置在阻隔层上的钯金属层、设置在钯金属层两端的电极层；阻隔层是石墨烯、氧化铝、氧化镁或氮化硼；前述的自旋极化层可以是拓扑绝缘体、狄拉克半金属、外尔半金属或重金属；铁磁金属、铁磁半金属或铁磁绝缘体等等。钯金属层是钯的金属薄膜、金属纳米线或金属纳米线阵列；电极层是金、银、铜、铂、镍、铟层或者其他适合的导电材料的电极层；在吸收氢气之后，钯金属层体积膨胀，使得自发形成的电流发生明显的变化，钯金属层中的电流是自发形成的，不需要引入电源，因此大大减小了氢气检测的功耗，也满足了传感小型化的目标。

技术领域

本发明涉及自旋电子器件领域，尤其是涉及一种低功耗的氢气检测材料结构与检测方法；钯金属的现有的氢气检测方法。

背景技术

随着自旋电子学的迅猛发展，自旋轨道耦合效应越来越受到人们的广泛关注，国际上关于相关材料中自旋轨道耦合效应引起的各种新奇物理现象的报道越来越多，如自旋(逆自旋)霍尔效应、自旋场效应晶体管、自旋量子计算等。

自旋轨道耦合作用提供了一种全电学(不需要外磁场或磁性材料)的方法控制自旋，随着理论研究的深入和实验技术的发展，基于自旋轨道耦合效应的各种电子器件层出不穷，也必将会带来更大的实际应用价值。

钯金属由于是一种重金属，有着很强的自旋轨道耦合作用，而且对氢气极为敏感而常作为氢气传感器的敏感媒介。

基于钯金属吸氢前和吸氢后的导电性性质不同的氢气检测技术，需要在具有氢敏特性的钯金属层施加电流，来检测电阻的变化。由于电流的焦耳热效应，增加了核心检测单元的功耗。

基于钯金属吸氢前和析氢后的折射率性质不同的氢气检测技术，需要引入额外的光学模块，来检测折射率的变化；由于光学模块的引入，使得检测系统很难小型化，也引入了额外的功耗。

因此，基于钯金属的现有的氢气检测方法需要进一步的改进。

发明内容

本发明的目的是，提供一种低功耗的氢气材料结构与检测方法。

本发明的技术方案包括：一种低功耗的氢气检测方法，基于如下检测材料结构，包括自旋极化层1、设置在自旋极化层1上的阻隔层6、设置在阻隔层6上的钯金属层2、设置在钯金属层2两端的电极层5；阻隔层是石墨烯、氧化铝、氧化镁或氮化硼；前述的自旋极化层可以是拓扑绝缘体、狄拉克半金属、外尔半金属或重金属；铁磁金属、铁磁半金属或铁磁绝缘体等等。钯金属层是钯的金属薄膜、金属纳米线或金属纳米线阵列；电极层是金、银、铜、铂、镍、铟层或者其他适合的导电材料的电极层。

所述自旋极化层中的自旋流可以通过在自旋极化层中施加电流、热梯度或微波产生。在吸收氢气之前和吸收氢气之后，钯金属层体积膨胀导致自旋轨道耦合强度不同，所述自旋极化层中的自旋流在钯金属层自发形成的电流也不同。通过钯金属与自旋极化层的异质结构，自旋极化层中的自旋信号会在钯金属层中自发产生不一样的电流信号，实现氢气的检测。

阻隔层6的厚度为0.15-2微米；钯金属层2的厚度为0.15-1微米。

在吸收氢气之后，钯金属层体积膨胀，自旋轨道耦合作用发生明显变化，使得自发形成的电流4发生明显的变化，用设置在钯金属层两端的电极层5测量所述电流；这种结构既充分利用了钯金属层的自旋轨道耦合作用，又利用了钯金属层的优异的氢敏特性，由于自旋无耗散的特点，使得这种结构的氢气检测方法能获得更小的功耗。

一些自旋极化层的自旋流在理论上具备无耗散的性质，而且钯金属层中的电流是自发形成的，不需要引入电源，因此大大减小了氢气检测的功耗，也满足了传感小型化的目标。