极化电子发射源及自旋极化扫描隧道显微镜制造技术

本发明专利技术涉及一种极化电子发射源。该种极化电子发射源通常包括电极以及位于该电极上的Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体一维纳米结构；该Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体一维纳米结构包括与电极形成电连接的第一端以及远离该电极的第二端，该第二端作为极化电子发射端；当向该电极施加负偏压，经由磁场诱导或／和圆偏振光激发可使该一维纳米结构的第二端发射极化电子束。本发明专利技术还提供一种采用Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体一维纳米结构作为探针的自旋极化电子扫描隧道显微镜。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种极化电子发射源以及采用该种极化电子发射源的自旋电子器件。
技术介绍
自旋电子器件是一种利用电子电荷和电子自旋共同作为信息载体的新型器件；其中，自旋极化扫描隧道显微镜是一种可用于测量表面磁结构，空间分辨率可达原子尺寸的自旋电子器件。自旋极化扫描隧道显微镜的基本原理是利用量子隧道效应，当在其探针与待测样品之间(探针与待测样品的距离通常为0.1～10纳米)施加电压时，通过探针扫描待测样品表面可在探针与待测样品表面之间形成表征待测样品表面磁结构的隧道电流。其中，探针作为自旋扫描隧道显微镜的极化电子发射端或感测端。对于实际应用中的自旋电子器件，其关键在于获取能在室温条件下实现连续及高效率自旋极化电子束发射的极化电子发射源。现有技术中揭露一种极化电子发射源，其包括微型钨针尖(直径约为1微米)以及形成在钨针尖表面的铁磁性薄膜如，铁、镍或其合金膜。其中，该铁磁性薄膜具有纳米级厚度(小于100纳米)。当将该钨针尖置于磁场中并在其上施加负偏压时，该极化电子发射源因磁场诱导及电场激发可产生极化电子束，该极化电子束中的电子自旋方向与所施加磁场方向平行。然而，该种极化电子发射源的操作温度过低，通常工作在钨针尖表面铁磁性薄膜材料的居里温度以下才可产生极化电子束。现有技术中揭露另一种极化电子发射源，其包括由砷化镓(GaAs)层以及交替形成在砷化镓层表面的铯(Cs)层及氧(O)层构成的多层结构。该铯层及氧层的采用主要用于产生负电子亲和势。当利用光子能量等于砷化镓禁带宽度的圆偏振光照射上述多层结构并在其上施加负偏压时，该极化电子发射源因光激发可产生极化电子束。然而，由于该种极化电子发射源中铯层及氧层的形成需要在超高真空(至少为10-8帕斯卡)条件下执行，其导致该种极化电子发射源制作难度较高。有鉴于此，有必要提供一种极化电子发射源以及采用该种极化电子发射源的自旋极化扫描隧道显微镜，其可工作在室温条件下且可具有制作简单之特点。
技术实现思路
下面将以若干实施例说明一种极化电子发射源及一种自旋极化扫描隧道显微镜。一种极化电子发射源，其包括电极以及位于该电极上的III-V族化合物半导体一维纳米结构；该III-V族化合物半导体一维纳米结构包括与电极形成电连接的第一端以及远离该电极的第二端，该第二端作为极化电子发射端；当向该电极施加负偏压，经由磁场诱导或/和圆偏振光激发可使该一维纳米结构的第二端发射出极化电子束。优选的，该III-V族化合物半导体一维纳米结构选自开口纳米管、纳米线及其混合。以及，一种自旋极化扫描隧道显微镜，可用于测量样品的表面磁结构，该自旋极化扫描隧道显微镜包括导电体以及位于该导电体上的探针；该探针包括III-V族化合物半导体一维纳米结构；该III-V族化合物半导体一维纳米结构包括与导电体形成电连接的第一端以及远离该导电体的第二端，该第二端作为探针尖端；当在该导电体与样品之间施加电压，经由磁场诱导或/和圆偏振光激发可使该探针尖端发射或感测极化电子束。优选的，该III-V族化合物半导体一维纳米结构选自开口纳米管、纳米线及其混合。相对于现有技术，所述极化电子发射源及自旋极化扫描隧道显微镜，通过设置III-V族化合物半导体一维纳米结构(优选的，其选自开口纳米管、纳米线及其混合)来实现极化电子束的发射或感测。由于该种III-V族化合物半导体一维纳米结构通常具有较大的自旋劈裂效应(Spin-Splitting Effect)和室温条件下稳定的局域磁矩，且其制备工艺较成熟。因此，本技术方案中的极化电子发射源及自旋极化扫描隧道显微镜可工作在室温条件下且可具有制作简单之特点。附图说明图1是本专利技术第一实施例利用磁场诱导产生极化电子束的极化电子发射源剖面示意图。图2是本专利技术第二实施例利用圆偏振光激发产生极化电子束的极化电子发射源剖面示意图。图3是本专利技术第三实施例自旋极化扫描隧道显微镜的局部剖面示意图。具体实施例方式下面将结合附图对本专利技术实施例作进一步的详细说明。第一实施例参见图1，本专利技术第一实施例提供的极化电子发射源10，其利用磁场诱导产生极化电子束。该极化电子发射源10包括相对设置的电极12及13，III-V族化合物半导体一维纳米结构14，及磁场产生装置16。电极12通常设置在基底11上，其材质可选用锡铟氧化物、N型掺杂或P型掺杂硅等电可导材料。该基底11的材质可选用玻璃。电极13与电极12之间形成有一间距。该电极13具有开口132，III-V族化合物半导体一维纳米结构14发射出的极化电子可穿过该开口132进入真空环境。该电极13的材质可选用钼、铌等电可导金属材料。III-V族化合物半导体一维纳米结构14位于电极12与电极13之间。通常，III-V族化合物半导体一维纳米结构14包含有两个端部，其中一个端部与电极12形成电连接，另一个端部则远离电极12作为极化电子发射端。该III-V族化合物半导体一维纳米结构14通常选用能隙中存在极化的电子占据能级的开口纳米管、纳米线，或其混合，其可经由磁场诱导产生极化电子束。所述开口纳米管为一种管状的一维纳米结构，其具有至少一开口端。所述纳米线通常为一种长径比不小于100的一维纳米结构。本实施例中，III-V族化合物半导体一维纳米结构14为富硼开口氮化硼纳米管，其能隙中存在极化的电子占据能级。该富硼开口氮化硼纳米管的一开口端作为极化电子发射端。当考虑到富硼开口氮化硼纳米管的手性(Chirality)时，其通常可表示为富硼开口(n，m)氮化硼纳米管(n＞|m|≥0，n，m为整数)；其中，(n，m)为其螺旋向量的简写符号。该种富硼开口(n，m)氮化硼纳米管在室温条件下具有稳定的局域磁矩及大于1电子伏(eV)的自旋劈裂效应，其能隙中的自旋极化深缺陷态表现出共轭特性。通常，当该种富硼开口(n，m)氮化硼纳米管的开口的截面与其管轴基本垂直时，其局域磁矩M(为整数，单位为波尔磁子μB)满足如下关系式(1)，(2)及(3)(1)M＝QUOTIENT(n-m，m)，当m≠0且MOD(n-m，m)为偶数；(2)M＝m-QUOTIENT(n-m，m)，当m≠0且MOD(n-m，m)为奇数；(3)M＝MOD(n，2)，当m＝0。其中，QUOTIENT(n-m，m)为(n-m)对m求整数商运算；MOD(n-m，m)为(n-m)对m求余运算；MOD(n，2)为n对2求佘运算。该种富硼开口(n，m)氮化硼纳米管的开口端自旋极化率通常在86％以上，其开口端轴向方向的最外层原子为硼原子。该种富硼开口(n，m)氮化硼纳米管的局域磁矩越大，则该自旋极化率越大。磁场产生装置16用于提供一磁场以使极化电子的自旋方向基本取向一致。图1中箭头所示方向为磁场方向，该磁场方向基本与III-V族化合物半导体一维纳米结构14的轴向方向平行。该磁场产生装置16可选用线圈，其环绕于该III-V族化合物半导体一维纳米结构14。下面将具体描述极化电子发射源10的基本工作过程在极化电子发射源10的工作过程中，将电极12及13，位于电极12与13之间的富硼开口(n，m)氮化硼纳米管以及磁场产生装置16置于真空环境中。电极12及13电连接至电压源15以向电极12提供一预定大小的负偏压(例如，当富硼开口(n，m)氮化硼纳米管的极化电子发射端与电极13的间本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种极化电子发射源，其包括一个电极；其特征在于，还包括位于该电极上的Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体一维纳米结构；该Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体一维纳米结构包括与电极形成电连接的第一端以及远离该电极的第二端，该第二端作为极化电子发射端；当向该电极施加负偏压，经由磁场诱导或／和圆偏振光激发可使该一维纳米结构的第二端发射极化电子束。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：段文晖，郝少刚，周刚，吴健，顾秉林，
申请(专利权)人：清华大学，鸿富锦精密工业深圳有限公司，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]