一种区分Bi2Se3表面态与体态光致逆自旋霍尔电流的方法技术

本发明专利技术涉及一种区分Bi2Se3表面态与体态光致逆自旋霍尔电流的方法。该方法在钛酸锶衬底的（111）晶面上生长拓扑绝缘体Bi2Se3；而后用高斯分布的圆偏振激光在垂直入射的情况下激发拓扑绝缘体Bi2Se3的体态和表面态的光致逆自旋霍尔效应电流，测得当光斑位置在两电极连线的垂直平分线上移动时的光致逆自旋霍尔效应电流；最后，通过建立区分拓扑绝缘体Bi2Se3表面态与体态光致逆自旋霍尔电流的定量拟合模型，并进行模型拟合，得到体态和表面态的光致逆自旋霍尔电流。本发明专利技术方法，十分简单易行，成本低廉，有利于日后推广应用；且所得结果准确。

A method to distinguish between Bi2Se3 surface state and body state photoinduced reverse spin Holzer current

The invention relates to a method that distinguishes the Bi2Se3 surface state from the body state photoinduced reverse spin Holzer current. The method in the SrTiO3 substrate (111) on the growth of Bi2Se3 topological insulator surface; bulk and surface states and circularly polarized laser Gauss distribution in the case of normal incident excitation light induced Bi2Se3 topological insulator inverse Holzer effect of spin current, measured properly spot position in two electrode line vertical bisector moves the light induced spin current inverse Holzer effect; finally, the quantitative fitting model of light induced spin Holzer inverse current topological insulator surface states of Bi2Se3 and distinguish the body through the establishment, and model fitting, get bulk and surface states of light induced spin Holzer inverse current. The method of the invention is simple and low cost, which is beneficial to popularity after and the result is accurate.

【技术实现步骤摘要】
一种区分Bi2Se3表面态与体态光致逆自旋霍尔电流的方法
本专利技术属于自旋电子学领域，具体涉及一种区分Bi2Se3表面态与体态光致逆自旋霍尔电流的方法。
技术介绍
拓扑绝缘体由于其具有奇异的物理性质以及在量子计算、自旋电子学等领域的潜在应用前景，受到人们的广泛关注。Bi2Se3是拓扑绝缘体家族的典型代表，因为它具有较宽的带隙和单对的狄拉克锥。然而，由于Bi2Se3材料中存在较多的Se空位以及生长环境中气体杂质的影响，Bi2Se3通常表现为n型，即体态并非绝缘，而是有较大体电导。这使得人们很难获得单纯由表面态引起的电流信号，测得的信号往往是体态和表面态的混合信号。因此，找到一种能够将表面态和体态分离的方法显得十分重要。目前报道的文献中，主要通过角分辨光电子能谱以及扫描隧道显微镜来观察拓扑绝缘体的表面态。然而，这两种方法并不能获得拓扑绝缘体表面态电学相关的信息。光致逆自旋霍尔电流是一种研究材料自旋霍尔效应以及自旋相关电学性能的有效手段，然而，对于拓扑绝缘体Bi2Se3来说，其测得的光致逆自旋霍尔电流往往是体态和表面态的叠加，难以将它们进行区分。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种区分Bi2Se3表面态与体态光致逆自旋霍尔电流的方法，采用高斯分布的圆偏振激光在垂直入射的情况下激发拓扑绝缘体Bi2Se3的体态和表面态的光致逆自旋霍尔效应电流，测得当光斑位置在两电极连线的垂直平分线上移动时的光致逆自旋霍尔效应电流，然后，通过进行模型拟合，得到体态和表面态的光致逆自旋霍尔电流。为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种区分Bi2Se3表面态与体态光致逆自旋霍尔电流的方法，在钛酸锶衬底的(111)晶面上生长拓扑绝缘体Bi2Se3；而后用高斯分布的圆偏振激光在垂直入射的情况下激发拓扑绝缘体Bi2Se3的体态和表面态的光致逆自旋霍尔效应电流，测得当光斑位置在两电极连线的垂直平分线上移动时的光致逆自旋霍尔效应电流；最后，通过建立区分拓扑绝缘体Bi2Se3表面态与体态光致逆自旋霍尔电流的定量拟合模型，并进行模型拟合，得到体态和表面态的光致逆自旋霍尔电流。在本专利技术一实施例中，所述拓扑绝缘体Bi2Se3的厚度范围在6至20纳米。在本专利技术一实施例中，所述拓扑绝缘体Bi2Se3的导电类型为n型。在本专利技术一实施例中，所述拓扑绝缘体Bi2Se3采用MBE设备生长。在本专利技术一实施例中，该方法具体实现步骤如下，(1)在拓扑绝缘体Bi2Se3样品上用电子束蒸发制备两个直径约为0.4mm的圆形电极，电极间距约为1.2mm；(2)用具有高斯分布的1064nm的激光依次通过斩波器、起偏器、四分之一波片，然后垂直入射在样品两电极连线的中点；激光光斑直径约为1mm，激光功率约为250mW；(3)将激光光斑从两电极连线的左边1mm处沿着两电极的垂直平分线移动到右边1mm处，步长为0.1mm；在每一个光斑位置处，转动四分之一波片从0度到360度，步长为5-15度，将每一个角度下的光电流输入前置放大器和锁相放大器，然后进入数据采集卡被电脑采集；(4)将每一个光斑位置处测的随四分之一波片角度变化的光电流用如下的公式进行拟合：其中，JPISHE为光致逆自旋霍尔效应电流，L1和L2为反常线偏振光致电流，J0为背景电流；(5)将步骤(4)得到的光致逆自旋霍尔效应电流随光斑位置的变化曲线通过建立的区分拓扑绝缘体Bi2Se3表面态与体态光致逆自旋霍尔电流的定量拟合模型进行拟合，即可得到表面态和体态的光致逆自旋霍尔效应电流。在本专利技术一实施例中，所述建立区分拓扑绝缘体Bi2Se3表面态与体态光致逆自旋霍尔电流的定量拟合模型具体方式如下，由于高斯分布的圆偏振激光在垂直入射产生的光斑为高斯光斑，所以光场强度呈现高斯分布，光激发产生的载流子也是呈现高斯分布；在光斑的径向方向，由于自旋极化载流子浓度的梯度，将会产生沿径向的自旋流，D是自旋扩散系数，Nz是沿z方向自旋的载流子浓度；由于逆自旋霍尔效应，沿径向运动的电子将受到自旋横向力f(r)，从而产生横向的涡旋流；自旋横向力可以表示为其中，G(r)是光强度的空间分布，表示z方向的单位矢量，γ是与自旋轨道耦合相关的常数，m*为电子有效质量，τs为自旋迟豫时间；因此，其中，f0＝m*γτsD；对应二维导体，圆偏振电动力是由圆偏振激光垂直入射的光照引起的，可以表示为q是单位电荷，R是积分路径的半径；涡旋流是有涡旋电场引起的，电场E(R)可以表示为由斯托克斯公式，可以得到：所以，两电极a、b两点的电压可以表示为电极a、b两点测到的电流为：其中，abo表示沿电极a、b和光斑圆心o的闭合回路，D表示abo三点围成的面积；因此，若设由b到a的方向为正方向，则有其中，±分别对应光斑在两电极左边和右边的情形；当光强较大，光斑中心区域的吸收趋于饱和，不存在载流子浓度的梯度，对涡旋电流没有贡献，因此对面积积分的时候应当扣除这部分的面积积分，设饱和区域的半径为rs；注意到以上公式只有在光斑区域是适用的，因为，当大于光斑区域时，不成立；因此，要将圆外的电流与跟圆边沿上的电流联系起来；设f点为ab线段上任意一点，线段of与光斑边缘的交点为e，则f点电流If和e点电流Ie有如下关系：其中x0为光斑中心，r0为光斑半径，Ls为电荷扩散长度，A为常数，θ为of与光斑中垂线的夹角；因此可得：当x0＝0时，Iab＝0，当x0≠0时其中，rs2为体层的饱和吸收半径，θc1＝arcos(x0/r0),θc2＝arcos(x0/rs)，“±”中“+”对应x0>0，“-”对应x0<0的情况；首先要确定饱和吸收区半径rs；假设光斑的积分总强度为I0，则光强分布为：假设表面层饱和吸收光强为总光强的Q0倍，则令可以计算出饱和吸收区半径rs；则在半径为rs的饱和吸收区，吸收光的强度都一样，吸收达到饱和，此区域表面层吸收的光强为而未吸收部分的光将透过表层被体层吸收；半径大于rs部分的光强将都被表层吸收，无法到达体层；通过将式(1)和式(2)对测得的光致逆自旋霍尔电流随光斑位置的曲线进行拟合，即可得到表面态和体态的逆自旋霍尔效应电流。相较于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：1、本专利技术提供的这种区分拓扑绝缘体Bi2Se3表面态与体态光致逆自旋霍尔电流的方法，十分简单易行，成本低廉，有利于日后推广应用；2、本专利技术提供的这种区分拓扑绝缘体Bi2Se3表面态与体态光致逆自旋霍尔电流的方法，所得的结果较为准确。附图说明图1是本专利技术提供一种区分拓扑绝缘体Bi2Se3表面态与体态光致逆自旋霍尔电流的方法的一个实施例中的实验光路示意图。其中，1是1064nm激光器，2为斩波器，3为起偏器，4是四分之一波片，5是Bi2Se3样品，6是沉积在样品上的两个圆形电极，7是前置放大器，8是锁相。图2是本专利技术提供一种区分拓扑绝缘体Bi2Se3表面态与体态光致逆自旋霍尔电流的方法的原理示意图。21表示激光光强度随空间的分布曲线，22表示电子受到的自旋横向力的方向，23表示自旋流的方向，24表示由第一表面态(SS1)的导带到第二表面态(SS2)的价带跃迁产生的电子，其电子的自旋方向是垂直纸面向里，27表示光强度的饱和吸收区，25表示由第一体导带(CB1)到第二表面态(SS2)的价带跃本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种区分Bi2Se3表面态与体态光致逆自旋霍尔电流的方法，其特征在于：在钛酸锶衬底的(111)晶面上生长拓扑绝缘体Bi2Se3；而后用高斯分布的圆偏振激光在垂直入射的情况下激发拓扑绝缘体Bi2Se3的体态和表面态的光致逆自旋霍尔效应电流，测得当光斑位置在两电极连线的垂直平分线上移动时的光致逆自旋霍尔效应电流；最后，通过建立区分拓扑绝缘体Bi2Se3表面态与体态光致逆自旋霍尔电流的定量拟合模型，并进行模型拟合，得到体态和表面态的光致逆自旋霍尔电流。

【技术特征摘要】
1.一种区分Bi2Se3表面态与体态光致逆自旋霍尔电流的方法，其特征在于：在钛酸锶衬底的(111)晶面上生长拓扑绝缘体Bi2Se3；而后用高斯分布的圆偏振激光在垂直入射的情况下激发拓扑绝缘体Bi2Se3的体态和表面态的光致逆自旋霍尔效应电流，测得当光斑位置在两电极连线的垂直平分线上移动时的光致逆自旋霍尔效应电流；最后，通过建立区分拓扑绝缘体Bi2Se3表面态与体态光致逆自旋霍尔电流的定量拟合模型，并进行模型拟合，得到体态和表面态的光致逆自旋霍尔电流。2.根据权利要求1所述的一种区分Bi2Se3表面态与体态光致逆自旋霍尔电流的方法，其特征在于：所述拓扑绝缘体Bi2Se3的厚度范围在6至20纳米。3.根据权利要求1所述的一种区分Bi2Se3表面态与体态光致逆自旋霍尔电流的方法，其特征在于：所述拓扑绝缘体Bi2Se3的导电类型为n型。4.根据权利要求1所述的一种区分Bi2Se3表面态与体态光致逆自旋霍尔电流的方法，其特征在于：所述拓扑绝缘体Bi2Se3采用MBE设备生长。5.根据权利要求1所述的一种区分Bi2Se3表面态与体态光致逆自旋霍尔电流的方法，其特征在于：该方法具体实现步骤如下，(1)在拓扑绝缘体Bi2Se3样品上用电子束蒸发制备两个直径约为0.4mm的圆形电极，电极间距约为1.2mm；(2)用具有高斯分布的1064nm的激光依次通过斩波器、起偏器、四分之一波片，然后垂直入射在样品两电极连线的中点；激光光斑直径约为1mm，激光功率约为250mW；(3)将激光光斑从两电极连线的左边1mm处沿着两电极的垂直平分线移动到右边1mm处，步长为0.1mm；在每一个光斑位置处，转动四分之一波片从0度到360度，步长为5-15度，将每一个角度下的光电流输入前置放大器和锁相放大器，然后进入数据采集卡被电脑采集；(4)将每一个光斑位置处测的随四分之一波片角度变化的光电流用如下的公式进行拟合：其中，JPISHE为光致逆自旋霍尔效应电流，L1和L2为反常线偏振光致电流，J0为背景电流；(5)将步骤(4)得到的光致逆自旋霍尔效应电流随光斑位置的变化曲线通过建立的区分拓扑绝缘体Bi2Se3表面态与体态光致逆自旋霍尔电流的定量拟合模型进行拟合，即可得到表面态和体态的光致逆自旋霍尔效应电流。6.根据权利要求1或5所述的一种区分Bi2Se3表面态与体态光致逆自旋霍尔电流的方法，其特征在于：所述建立区分拓扑绝缘体Bi2Se3表面态与体态光致逆自旋霍尔电流的定量拟合模型具体方式如下，由于高斯分布的圆偏振激光在垂直入射产生的光斑为高斯光斑，所以光场强度呈现高斯分布，光激发产生的载流子也是呈现高斯分布；在光斑的径向方向，由于自旋极化载流子浓度的梯度，将会产生沿径向的自旋流，D是自旋扩散系数，Nz是沿z方向自旋的载流子浓度；由于逆自旋霍尔效应，沿径向运动的电子将受到自旋横向力f(r)，从而产生横向的涡旋流；自旋横向力可以表示为其中，G(r)是光强度的空间分布，表示z方向的单位矢量，γ是与自旋轨道耦合相关的常数，m*为电子有效质量，τs为自旋迟豫时间；因此，

【专利技术属性】
技术研发人员：赵宜升，曾晓琳，俞金玲，程树英，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建,35