[发明专利]一种基于半导体二维电子气进行弱磁场空间成像的方法

说明书

本发明提供一种基于半导体二维电子气进行弱磁场空间成像的方法，包括：S1，分子束外延生长二维电子气半导体异质结；S2，微纳加工二维电子气半导体异质结，得到特征尺寸在10nm～1mm范围内的分立霍尔器件；S3，集成分立霍尔器件，得到线阵或面阵弱磁探测器，实现对弱磁场的空间成像。本发明利用半导体二维电子气室温高载流子迁移率的特点，通过霍尔效应的原理进行高精度弱磁探测与成像，可用于心磁图和脑磁图等人体弱磁探测及成像，具有便携式、低成本、高空间和时间分辨率等优点。

技术领域

本发明涉及半导体相关的磁探测与成像技术领域，具体涉及一种基于半导体二维电子气进行弱磁场空间成像的方法。

背景技术

人类身体时刻散发着磁场，这些磁信号则与身体健康息息相关。耳熟能详的典型例子包括脑磁场和心磁场，它们分别由人类大脑和心脏中伴随机体活动的生物电流产生。与广泛应用的脑电图和心电图类似，对脑磁和心磁进行测量可以获得相应的脑磁或心磁图。已有的大量研究表明，对人体磁场的探测通常能够更安全、有效且实时地进行疾病诊断。以脑磁检测为例，相对脑电、功能磁共振影像及正电子发射断层成像等技术，脑磁检测具有以下优势：(1)空间分辨率比脑电图高，从而可以更为准确地定位脑部损伤——这是因为脑电图会受到头皮电势分布等因素影响，而脑磁图则可以有效避免这些不利因素，获得清晰易辨的图像；(2)时间分辨率比功能磁共振影像技术高，因此可以近乎实时记录脑磁场迅变信号——这是因为脑磁图信号可直接反映神经元的活动，而后者则是间接反映神经元激发后在相对长时段内脑血流及血氧等的变化；(3)是一种无创的大脑活动探测技术，无需使用电极等接触人体皮肤。目前，脑磁图已在癫痫症定位和揭示人类睡眠奥秘方面发挥了巨大作用。类似的，心磁图能够提供心电图等技术无法探测到的信号且具有无创诊断等优点，因此可以对心脏进行更系统和全面的检查。

然而，由于人体磁场极其微弱，相应的探测技术仍然十分单一，费用亦十分昂贵。一般而言，人体心磁场的强度通常在10^-1410^-10 Tesla之间，比地磁场小6个数量级以上，因此需要极为精密的探测手段才能准确测量。当前使用的脑磁和心磁探测技术主要是基于超导量子干涉仪(Superconducting QUantum Interference Device，SQUID)，不仅成本高昂，核心器件还需要在低温环境(通常为零下269℃液氦环境)下才能工作。另一种常用的高分辨弱磁探测方法是磁力显微镜，即利用微小的磁探针在扫描待测物体表面时记录磁针与样品表面间的相互作用，之后反推出待测物体的表面磁性。显然，该方法不仅需要固定针尖与人体待测部位的距离，磁性针尖还很可能对人体软物质造成损伤并干扰待测物体本身的磁场，因此并不适用于人体磁场探测。近来兴起的光学原子磁强计技术摆脱了对低温杜瓦的依赖，但由于单个探测器要集成原子蒸气箱、激光器和光电探测器等部件，在空间分辨率上受到了极大的限制。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对上述问题，本发明提供了一种基于半导体二维电子气进行弱磁场空间成像的方法，用于至少部分解决传统弱磁探测及成像方法费用昂贵、在空间分辨率和时间分辨率上受到极大限制等技术问题。

(二)技术方案

本发明提供了一种基于半导体二维电子气进行弱磁场空间成像的方法，包括：S1，分子束外延生长二维电子气半导体异质结；S2，微纳加工二维电子气半导体异质结，得到特征尺寸在10nm～1mm范围内的分立霍尔器件；S3，集成分立霍尔器件，得到线阵或面阵弱磁探测器，实现对弱磁场的空间成像。

进一步地，S1具体包括控制分子束外延技术生长过程中界面原子排布，得到二维电子气半导体异质结。

进一步地，S1具体包括在分子束外延生长过程中通过改变源炉挡板的开关顺序控制界面的原子排布，减少界面粗糙度散射，得到二维电子气半导体异质结。

进一步地，S2具体包括微纳加工二维电子气半导体异质结使之形成霍尔桥形状，沉积欧姆接触的电极，得到纳米级霍尔器件。