一套測量電子自旋注入和濾波的顯微測量系統的製作方法

2023-04-30 15:16:01

專利名稱：一套測量電子自旋注入和濾波的顯微測量系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及半導體電學性質測試技術和磁性材料磁學性質測試技術 領域，特別涉及鐵磁性金屬向半導體注入自旋的測量技術。
背景技術：
現代信息技術利用電子的電荷自由度來進行信息處理，而用磁性材料 的自旋自由度來存儲信息。自旋電子學這個新興的領域同時利用電子的這 兩個自由度來產生新的功能，這可能引起未來的信息技術的革新。目前， 由於稀磁半導體同時具有磁性和半導體的性質，得到了廣泛的研究，但是 由於其很低的居裡溫度，應用前景仍然很小；所以，向半導體注入自旋方 法仍然在不斷的研究中。第一種方法是利用電學方法直接把鐵磁性材料的 極化電子注入到半導體中；此外就是利用光學方法在半導體中泵浦出極化 電子。
利用偏振光在半導體中泵浦出含自旋的電子的方法由於缺乏很好的 實際應用背景，目前，人們大多關注於如何利用加電壓的方法從鐵磁性材 料中注入極化電子進入半導體中；但是到目前為止，研究結果發現由於磁 性材料與半導體之間的電阻不匹配，導致注入極化電子的效率很低 (Phys.Rev.B， 62， ppR4790-R4794， 2000);這是由於人們對於注入過程 中電子輸運的各種機理不是很了解。為此，有的小組(J.AppI.Phys， 87， pp4670-4672， 2000)研究了 NiFe/GaAs間Schottky勢壘在偏振光激發下 偏振光電流，研究結果顯示鐵磁薄膜的磁化強度方向和Schottky勢壘高度 決定了半導體和鐵磁材料間自旋相關光電流。可是，由於在此文偽四端方 法中測量光電流的方法有很大誤差。
為此，本發明提供一種利用標準四端法，測量不同磁場和偏振光激發 樣品下，偏振相關電壓隨直流偏壓變化的方法。

發明內容
本發明的目的是提供一種研究鐵磁材料和半導體界處中自旋相關輸 運的系統。利用這套系統，可以對研究鐵磁材料向半導體注入自旋效率(自 旋注入)和半導體中極化電子向鐵磁材料輸入過程中被濾除的效率(自旋 濾波)。
一套測量電子自旋注入和濾波的顯微測量系統，其特徵在於，包括
一HeNe雷射器，用來激發樣品(101);
一渥拉斯頓稜鏡，把前面的雷射器發出來的光調製成線偏振光
(102);
一光彈調製器，把線偏振光調製成50kHz左旋和右旋圓偏振光，並提 供鎖相放大器(104)觸發信號(103);
一鎖相放大器，用來測量樣品偏振相關電子輸運電壓(104);
一鎖相放大器，用來測量樣品光伏電壓(105); 一數字電壓表，測量樣品直流偏壓(106); 一恆流源，用來給樣品施加偏置電流(107); 一顯微物鏡，用來聚焦雷射，使其照射到樣品上(108);
一斬波器，調製入射光強，並提供鎖相放大器(105)觸發信號(109); 一白光光源，用來照射樣品，以便於攝像機和顯示器(112)能清楚
顯示雷射照射樣品的位置(110);
一兩個半反半透鏡組，用來把雷射和白光匯合後照射樣品，且把反射
光成像到攝像機和顯示器(111);
一攝像機和顯示器，用來顯示和記錄雷射照射樣品位置(112);
一可變磁場樣品座，安放樣品的地方，且施加不同磁場於樣品上
(113)。
進一步，所述系統中，用經過光彈調製器(103)後變成的左旋和右
旋交替變化的偏振光激發樣品，在半導體中得到自旋極化電子，通過恆流
源(107)調控半導體中電子的流向，外加磁場控制鐵磁金屬的磁化強度 方向；利用鎖相放大器(104)、鎖相放大器(105)和數字電壓表(106) 測量出固定磁場中，不同大小和方向偏壓下，電子自旋的注入和濾波效率。 進一步，所述系統中，利用白光光源(110)，兩個半反半透組(111)，以及攝像機和顯示器(112)構成監視光路，觀察雷射照射到樣品中臺面 的位置。
進一步，所述系統中，利用斬波器(109)和鎖相放大器(105)，測
量光照樣品產生的光伏效應，對比直流光伏響應信號，保證測量過程的正 確性。
進一步，所述系統中，利用可變磁場樣品座(113)，測量光照樣品光 電壓在不同磁場下的隨直流電壓的變化。
本發明是利用顯微光路和標準四端法測量樣品在偏振光照射下，通過 控制不同磁場和直流電流，測量極化電子輸運性質。
這種方法可以在室溫下準確的測量到偏振相關的電子輸運過程。對於 目前研究鐵磁材料和半導體雜化體系中電子自旋輸運性質提供了一種很 好的手段。


圖1是一套測量電子自旋注入和濾波的顯微測量系統結構簡圖2是利用測試系統所測試的Fe/Al203/GaAs樣品室溫下光生電壓
在不同磁場下隨直流電壓的變化；
圖3是利用測試系統所測試的Fe/Al203/GaAS樣品室溫下偏振相關
電壓在不同磁場下隨直流電壓的變化。
具體實施例方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實 施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。
如圖1所示，是本發明的一套測量電子自旋注入和濾波的顯微測量系 統。該系統包括HeNe雷射器101，渥拉斯頓稜鏡102，光彈調製器103, 鎖相放大器104，鎖相放大器105，數字電壓表106，恆流源107，顯微 物鏡108，斬波器109，白光光源110，兩個半反半透組111，攝像機和 顯示器112，可變磁場樣品座113。利用顯微光路和標準的四端測量方法 搭建系統；HeNe雷射器發射出來的雷射把通過渥拉斯頓稜鏡變成線偏振 光，線偏振光通過與之光軸成45角度的光彈調製器後，變成一束左旋和右旋交替變化的圓偏振光，利用顯微物鏡聚焦光束垂直照射樣品上；為了
觀察雷射聚焦到樣品上的位置，在光路上放上兩個半反半透鏡組，從光路 旁邊引入白光，白光經過半反半透鏡組中的一個透鏡的反射和雷射一同入 射到樣品上，樣品上的反射光通過半反半透組的另一個透鏡反射進入攝像 機和顯示器系統，從上面可以清楚的觀察到雷射打到樣品表面的位置。調
好光路後，把半反半透鏡組移走；為了測量光強調製的光伏響應，光路上 放置斬波器；利用恆流源在樣品兩端施加恆流偏置，兩臺鎖相放大器和數 字電壓表並聯在樣品的另外兩端分別測量光生電壓、偏振相關電壓和直流 偏壓。兩臺鎖相放大器的觸發信號分別來自斬波器和光彈調製器。
作為一個實例，本發明中利用該系統測量了一結構為GaAs/Al203/Fe 樣品的光電性質。測試結果如圖2和3;圖2是光生電壓在不同大小垂直 於樣品表面磁場下，隨直流偏壓變化的測量結果，曲線重合，這說明光伏 響應不隨磁場的變化，這也符合光生電壓只和樣品的結構有關，而應該和 磁場無關的物理特性，這也間接證明下面關於偏振相關電壓測量的正確 性；圖3是偏振相關電壓在不同大小垂直於樣品表面磁場下隨直流偏壓變 化的測量結果，從圖中可以看到，不同磁場下，同樣的直流偏置下，偏振 相關電壓隨磁場增大而增大；這是由於磁場加大後，鐵磁層的方向逐漸轉 到垂直於樣品表面，即鐵磁層中電子的自旋方向逐漸垂直於樣品表面，而 調製的左旋和右旋交替變化的圓偏振光在樣品中激發的電子自旋方向也 是垂直於樣品表面；這時，通過樣品就會出現兩種自旋方向相反或相同的 電子運動方式，如果自旋方向相反，那麼就會測量到更大的偏振相關電壓， 而如果如果自旋方向相同，那麼偏振相關電壓減少；從圖中可以看出不論 是正向電壓還是反向偏壓下隨磁場的增加，自旋相反的電子輸運增大了； 但是在正向偏壓下，信號的強度變化明顯快於負向偏壓下，這也說明了自 旋濾波效應高於注入效率。利用此方法觀察到了明顯的電子自旋相關的輸 運。
以上實例說明本發明設計的這套系統具有一非常顯著的特點，就是利 用該系統可以明顯的測量到和自旋信號相關的信息；該系統可變的變量有 光波長、溫度和磁場強度。該系統將會在目前電子自旋注入的研究當中得 到一定的推廣。以上所述，僅為本發明中的具體實施方式
，但本發明的保護範圍並不 局限於此，任何熟悉該技術的人在本發明所揭露的技術範圍內，可輕易想 到的變換或替換，都應涵蓋在本發明的包含範圍之內。因此，本發明的保 護範圍應該以權利要求書的保護範圍為準。
權利要求
1. 一套測量電子自旋注入和濾波的顯微測量系統，其特徵在於，包括一HeNe雷射器，用來激發樣品(101)；一渥拉斯頓稜鏡，把前面的雷射器發出來的光調製成線偏振光(102)；一光彈調製器，把線偏振光調製成50kHz左旋和右旋圓偏振光，並提供鎖相放大器(104)觸發信號(103)；一鎖相放大器，用來測量樣品偏振相關電子輸運電壓(104)；一鎖相放大器，用來測量樣品光伏電壓(105)；一數字電壓表，測量樣品直流偏壓(106)；一恆流源，用來給樣品施加偏置電流(107)；一顯微物鏡，用來聚焦雷射，使其照射到樣品上(108)；一斬波器，調製入射光強，並提供鎖相放大器(105)觸發信號(109)；一白光光源，用來照射樣品，以便於攝像機和顯示器(112)能清楚顯示雷射照射樣品的位置(110)；一兩個半反半透鏡組，用來把雷射和白光匯合後照射樣品，且把反射光成像到攝像機和顯示器(111)；一攝像機和顯示器，用來顯示和記錄雷射照射樣品位置(112)；一可變磁場樣品座，安放樣品的地方，且施加不同磁場於樣品上(113)。
2. 根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，用經過光彈調製器(103) 後變成的左旋和右旋交替變化的偏振光激發樣品，在半導體中得到自旋極 化電子，通過恆流源(107)調控半導體中電子的流向，外加磁場控制鐵 磁金屬的磁化強度方向；利用鎖相放大器(104)、鎖相放大器(105)和 數字電壓表(106)測量出固定磁場中，不同大小和方向偏壓下，電子自 旋的注入和濾波效率。
3. 根據權利要求1或2所述的系統，其特徵在於，利用白光光源(110)， 兩個半反半透組(111)，以及攝像機和顯示器(112)構成監視光路，觀 察雷射照射到樣品中臺面的位置。
4. 根據權利要求1或2所述的系統，其特徵在於，利用斬波器(109) 和鎖相放大器(105)，測量光照樣品產生的光伏效應，對比直流光伏響應 信號，保證測量過程的正確性。
5. 根據權利要求1或2所述的系統，其特徵在於，利用可變磁場樣 品座(113)，測量光照樣品光電壓在不同磁場下的隨直流電壓的變化。
全文摘要
本發明是一套測量電子自旋注入和濾波的顯微測量系統。所述顯微測量系統用渥拉斯頓稜鏡作為光起偏器，把一束HeNe雷射變成線偏振光，然後使線偏振光通過與其成45度夾角的光彈調製器，根據光學原理，偏振光變成50kHz調製的左右旋圓偏振光，圓偏振光照射樣品，樣品中產生自旋極化的電子；在反向電場的驅動下，鐵磁金屬向半導體中注入自旋極化電子，但是由於半導體在圓偏振光的照射下會有50％的自旋極化電子，從而會對注入的自旋極化電子產生磁阻效應；在正向電場的驅動下，半導體中光照產生的自旋極化電子向鐵磁這邊驅動，受鐵磁中極化電子的影響，會濾除與其自旋方向相反的注入電子。
文檔編號G01R31/26GK101452043SQ200710178300
公開日2009年6月10日 申請日期2007年11月29日 優先權日2007年11月29日
發明者劍 劉, 飛 張, 威 揚, 李桂榮, 肖文波, 譚平恆, 鄭厚植 申請人:中國科學院半導體研究所