一种基于自旋滤波的太赫兹发射器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于自旋滤波的太赫兹发射器及其制备方法，包括衬底基片、设置于所述衬底基片上的铁磁层、设置于所述铁磁层上的自旋滤波层、设置于所述自旋滤波层上的非磁层及设置于所述非磁层上的覆盖层，所述铁磁层、自旋滤波层及非磁层构成异质结。根据本发明专利技术，太赫兹发射器制备工艺相对简单、成本低、不包括任何刻蚀步骤，只需在多种衬底上沉积均匀的薄层，能够实现太赫兹辐射源的小型化和集成化。化。化。

【技术实现步骤摘要】
Monolithic Integrated Metamaterials with a Spintronic Terahertz Emitter[J].ACS Appl.Mater.Interfaces 12,35895(2020)】。Chen等人利用高效薄膜自旋太赫兹辐射源，结合计算鬼成像技术实现了一种超衍射分辨的太赫兹显微仪，能够在近场中获得微米量级的太赫兹波空间分辨【Si
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Chao Chen,et al.Ghost spintronic THz
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emitter
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array microscope[J].Light:Science&Applications 9,99(2020)】。
[0004]目前，提高太赫兹辐射源的强度和频谱宽度是自旋电子学太赫兹发射源的关键技术和科学挑战。根据目前的理论，自旋流的超扩散被用来描述超快退磁和太赫兹发射。铁磁层和非磁层界面通常被忽略，认为所有的电子可以自由地从铁磁层进入非磁层。实际上，激光激发的热电子在界面的两侧经历不同的电子
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晶格相互作用，将在界面处形成界面电阻或者自旋累积。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中存在的不足之处，本专利技术的目的是提供一种基于自旋滤波的太赫兹发射器及其制备方法，太赫兹发射器制备工艺相对简单、成本低、不包括任何刻蚀步骤，只需在多种衬底上沉积均匀的薄层，能够实现太赫兹辐射源的小型化和集成化。为了实现根据本专利技术的上述目的和其他优点，提供了一种基于自旋滤波的太赫兹发射器，包括：
[0006]衬底基片、设置于所述衬底基片上的铁磁层、设置于所述铁磁层上的自旋滤波层、设置于所述自旋滤波层上的非磁层及设置于所述非磁层上的覆盖层，所述铁磁层、自旋滤波层及非磁层构成异质结。
[0007]优选的，所述铁磁层为铁磁材料制成的铁磁金属层或铁磁绝缘层，所述铁磁材料包括Co、Ni、CoFeB、NdFeB、NiFe、CoPt、CoFe，厚度为2～10nm，所述铁磁绝缘层为Y3Fe5O
12
、LaY2Fe5O
12
，厚度为10～60nm。
[0008]优选的，所述自旋滤波层为高自旋极化度的铁磁体或者具有半金属电子结构的铁磁合金，包括Fe、Co2FeSi、Co2FeAl、Co2CrSi、Co2MnSi、Co2MnGe、Co2CrAl、Zr2MnAl，厚度为1
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2nm。
[0009]优选的，所述非磁层为具有强自旋轨道耦合效应的重金属，包括Au、W、Pt、Pd，厚度为2～10nm。
[0010]优选的于，所述非磁层为具有强自旋轨道耦合效应的拓扑绝缘体，包括Bi2Se3、Bi2Te3、Sb2Te3，厚度为2～10nm。
[0011]优选的，所述自旋滤波层为铁磁绝缘体与重金属的界面，所述重金属为Pt，厚度为3nm。
[0012]优选的，所述覆盖层为氧化物或者惰性金属，包括MgO、SiO2、Al、Ta，厚度为1～3nm，所述衬底基片为具有高的透过率的介质或晶体，衬底基片为石英片、氧化镁、高阻硅、石榴石或蓝宝石的一种，厚度为0.1
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0.5mm。
[0013]一种基于自旋滤波的太赫兹发射器制备方法，包括以下步骤：
[0014]S1、选择衬底基片，并对衬底基片进行清洗，准备镀膜材料；
[0015]S2、利用物理化学方法对衬底基片进行镀膜；
[0016]S3、分别生成铁磁层、自旋滤波层、非磁层及覆盖层；
[0017]S4、进行切割使用；
[0018]S5、搭建THz发射系统，测试太赫兹发射器的发射性能；
[0019]一种基于自旋滤波的太赫兹发射器制备方法，包括以下步骤：
[0020]S11、选择衬底基片，并对衬底基片进行清洗，准备镀膜材料；
[0021]S12、利用物理化学方法对衬底基片进行镀膜；
[0022]S13、生长铁磁绝缘薄膜及重金属薄膜；
[0023]S14、进行退火工艺处理，制备自旋滤波层；
[0024]S15、利用物理化学方法镀膜，生长非磁层与覆盖层；
[0025]S16、搭建THz发射系统，测试太赫兹发射器的发射性能。
[0026]本专利技术与现有技术相比，其有益效果是：
[0027](1)本专利技术提出新型的基于自旋滤波的高效太赫兹发射器的设计与制备。制作本专利的新型的基于自旋滤波的高效太赫兹发射器由两种可选方案构成，一是铁磁层/自旋滤波层/非磁性层构成的金属磁性多层膜结构，二是铁磁绝缘层/自旋滤波层/非磁性层构成的异质结构。并通过改变结构中各层的厚度和材料种类进行太赫兹辐射性能提升和调控。这两种设计方案将在自旋电子学太赫兹辐射源得到广泛应用。
[0028](2)本专利技术提出新型的基于自旋滤波的高效太赫兹发射器的结构为多层薄膜结构，器件尺寸小，可以实现高集成、高稳定，并且解决了传统太赫兹辐射源高成本，制备工艺复杂等问题。
附图说明
[0029]图1为根据本专利技术的基于自旋滤波的太赫兹发射器及其制备方法的制作方法流程图；
[0030]图2为根据本专利技术的基于自旋滤波的太赫兹发射器及其制备方法的高效太赫兹发射器性能测试方案图；
[0031]图3为根据本专利技术的基于自旋滤波的太赫兹发射器及其制备方法的发射器光路示意图及太赫兹辐射原理图；
[0032]图4为根据本专利技术的基于自旋滤波的太赫兹发射器及其制备方法的发射器时域脉冲信号及其频谱图。
具体实施方式
[0033]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0034]参照图1
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4，一种基于自旋滤波的太赫兹发射器，包括：衬底基片、设置于所述衬底基片上的铁磁层、设置于所述铁磁层上的自旋滤波层、设置于所述自旋滤波层上的非磁层及设置于所述非磁层上的覆盖层，所述铁磁层、自旋滤波层及非磁层构成异质结。
[0035]进一步的，所述铁磁层为铁磁材料制成的铁磁金属层或铁磁绝缘层，所述铁磁材料包括Co、Ni、CoFeB、NdFeB、NiFe、CoPt、CoFe，厚度为2～10nm，所述铁磁绝缘层为Y3Fe5O
12
、LaY2Fe5O
12
，厚度为10～60nm。
[0036]进一步的，所述自旋滤波层为高自旋极化度的铁磁体或者具有半金属电子结构的铁磁合金，包括Fe、Co2FeSi、Co2FeAl、Co2CrSi、Co2MnSi、Co2MnGe、Co2CrAl、Zr2MnAl，厚度为1
‑
2nm。
[0037]进一步的，所述非磁层为具有强自旋轨道耦合效应的重金属，包括Au、W、Pt、Pd，厚度为2～10nm本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于自旋滤波的太赫兹发射器，其特征在于，包括：衬底基片、设置于所述衬底基片上的铁磁层、设置于所述铁磁层上的自旋滤波层、设置于所述自旋滤波层上的非磁层及设置于所述非磁层上的覆盖层，所述铁磁层、自旋滤波层及非磁层构成异质结。2.如权利要求1所述的一种基于自旋滤波的太赫兹发射器，其特征在于，所述铁磁层为铁磁材料制成的铁磁金属层或铁磁绝缘层，所述铁磁材料包括Co、Ni、CoFeB、NdFeB、NiFe、CoPt、CoFe，厚度为2～10nm，所述铁磁绝缘层为Y3Fe5O
12
、LaY2Fe5O
12
，厚度为10～60nm。3.如权利要求1所述的一种基于自旋滤波的太赫兹发射器，其特征在于，所述自旋滤波层为高自旋极化度的铁磁体或者具有半金属电子结构的铁磁合金，包括Fe、Co2FeSi、Co2FeAl、Co2CrSi、Co2MnSi、Co2MnGe、Co2CrAl、Zr2MnAl，厚度为1
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2nm。4.如权利要求1所述的一种基于自旋滤波的太赫兹发射器，其特征在于，所述非磁层为具有强自旋轨道耦合效应的重金属，包括Au、W、Pt、Pd，厚度为2～10nm。5.如权利要求1所述的一种基于自旋滤波的太赫兹发射器，其特征在于，所述非磁层为具有强自旋轨道耦合效应的拓扑绝缘体，包括Bi2Se3、Bi2T...

【专利技术属性】
技术研发人员：金钻明，朱亦鸣，彭滟，庄松林，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：