测量拓扑绝缘体Bi2Te3中拉莫进动引起的磁致光电流的方法技术

本发明专利技术涉及一种测量拓扑绝缘体Bi

【技术实现步骤摘要】
测量拓扑绝缘体Bi2Te3中拉莫进动引起的磁致光电流的方法
本专利技术属于自旋电子学领域，具体涉及一种测量拓扑绝缘体Bi2Te3中拉莫进动引起的磁致光电流的方法。
技术介绍
拓扑绝缘体不同于一般金属或绝缘体，其独特的物理使其在自旋电子学、量子计算等领域有着潜在的应用前景，现如今在这些领域中备受人们关注。Bi2Te3是一种三维拓扑绝缘体材料，其独特之处在于具有受拓扑保护的无带隙表面态，这样的表面态具有时间反演对称性，其中的电子为自旋动量方向锁定的狄拉克电子。这样性质的表面态使得材料能很大程度地抑制非磁性杂质的散射，故其表面电子具有极高的电子迁移率。这使得三维拓扑绝缘体材料在量子计算和新型自旋电子器件等领域都有着很好的应用前景。通常，我们可以利用圆偏振光致电流技术(记作CPGE)作为研究三维拓扑绝缘体的自旋极化光电流信号的有效手段，可通过圆偏振光激发表面态电子自旋极化产生光致电流。而利用光致逆自旋霍尔效应技术(记作PISHE)也能探测三维拓扑绝缘体中的自旋极化光电流信号，同样可通过圆偏振光激发表面态电子产生自旋极化的光致电流。然而，现在的问题是，在使用CPGE时，由于使用圆偏振光激发产生自旋极化，在产生圆偏振光致电流效应的同时还会引入其他由圆偏振光引起的光电流效应，如光子拽曳效应。三维拓扑绝缘体Bi2Te3，其表面态为C3v点群对称性，体态为D3d点群对称性。其体态和表面态都会产生光子拽曳效应，需要寻找方法从总的光电流中将不同效应产生的贡献分离提取出来。而在使用PISHE进行研究时，由于三维拓扑绝缘体具有上下两个表面态，在产生PISHE电流时，由于激光能够到达样品的上下表面态，从而产生方向相反的光电流信号，此外，体态也会引入PISHE电流信号，使得自旋极化光电流的成分变得复杂，需要寻找方法将表面态的自旋极化光电流信号提取出来。由此可见运用以上两常用技术研究三维拓扑绝缘体表面态的自旋极化光电流仍具有各自需克服的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种测量拓扑绝缘体Bi2Te3中拉莫进动引起的磁致光电流的方法，该方法实现方便，成本低，测量结果准确。为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种测量拓扑绝缘体Bi2Te3中拉莫进动引起的磁致光电流的方法，三维拓扑绝缘体Bi2Te3生长于Si衬底上；三维拓扑绝缘体Bi2Te3用分子束外延设备生长，所述方法包括如下步骤：步骤S1、获取三维拓扑绝缘体Bi2Te3样品，并在三维拓扑绝缘体Bi2Te3样品上用磁控溅射生长10nm的钛电极，用电子束蒸发镀100nm的金电极，电极是边长0.5mm的正方形电极，电极间距约为2.5mm；步骤S2、用1064nm的激光作为激发光源，让激光通过斩波器、起偏器、四分之一波片，垂直照射在三维拓扑绝缘体Bi2Te3样品上两电极连线中点的位置；光斑直径小于两电极间距；步骤S3、将三维拓扑绝缘体Bi2Te3样品放置在永磁铁的N极和S极之间，电极连线沿x方向，磁场平行于样品平面且沿x方向；通过转动磁铁来改变沿x方向的磁场大小；设磁场与x方向的夹角为θ；在每一个θ角上从0度到360度转动四分之一波片，以5度为一个步长，将每一个四分之一波片角度下的光电流通过电流放大器进行放大，并通过锁相放大器放大后进入数据卡进行采集；步骤S4、转动永磁铁，从而改变磁场与x方向的夹角为θ的大小，此时，样品平面内沿x方向和y方向的磁场Bx和By可表示为：Bx＝B×sinθ,By＝B×cosθ(1)步骤S5、将每一个磁场转动角下的光电流用磁致光电流的公式进行拟合提取出圆偏振磁致光电流JC，即采用如下的公式(2)进行拟合：其中，JC表示单位光功率和沿x方向的单位磁场强度引起的圆偏振磁致光电流，I为光强，φ为四分之一波长的转角，j0是由热电效应和光伏效应引起的背景光电流，JLMPGE1和JLMPGE2是由线偏振光激发引起的磁致光电流；步骤S6、由拉莫进动引起的y方向的自旋极化为：其中，ωL为拉莫进动的频率，S0z是垂直入射圆偏振光引起电子的自旋极化方向，g是电子自旋磁矩和自旋角动量之比，μB为波尔磁子，为约化普朗克常数；τS、τS⊥、τS∥分别是三维拓扑绝缘体Bi2Te3自旋极化载流子的总自旋弛豫时间、横向自旋弛豫时间、纵向自旋弛豫时间；由公式(3)和(4)可以得到磁场作用下面内自旋极化与面内磁场的直接关系：即其中，b＝gμBτS⊥S0z，Sy是由拉莫进动引起的y方向自旋极化；若测得的圆偏振磁致光电流JC是由拉莫进度引起的，那么必然满足如下关系式：其中，m和n为拟合常数；步骤S7、将步骤S5中通过用公式(2)拟合实验数据提取出圆偏振磁致光电流JC作为纵坐标，x方向的磁场Bx为横坐标，作图；用公式(6)对数据进行拟合，若拟合的决定系数R2大于0.75，则拟合较好，表明所测得的圆偏振磁致光电流JC为拉莫进动引起；步骤S8、运用同样的实验设置及测试手段对Si衬底进行光电流测试，将得到的数据用符合Si的C2v点群对称性的磁致光电流公式进行拟合，获得Si衬底的圆偏振磁致光电流；将Si衬底的圆偏振磁致光电流的数据与拓扑绝缘体Bi2Te3中测得圆偏振磁致光电流进行比较，若前者比后者大5倍以上，则表明测得的圆偏振磁致光电流是由三维拓扑绝缘体产生的，而不是由Si衬底产生的。在本专利技术一实施例中，步骤S3中，磁场与x轴夹角θ的变化范围为：从0到360度，通过步进电机进行控制其转动，以15度为一个步长进行转动。在本专利技术一实施例中，将步骤S8中所测得的在不同磁场强度Bx下Si衬底的光电流用C2v点群对称性的光电流公式进行拟合，具体为：运用同样的实验设置及测试手段对Si衬底进行光电流测试，将得到的数据用C2v点群对称性的光电流公式进行拟合处理，拟合公式如下：其中，I是入射激光的光功率，Bx、By是分别沿x和y方向的磁场，S4是面内磁场下圆偏振光激发的磁致光电流，S1、S2和S3是磁场下因样品的特殊对称性，即具有旋光对称性产生的光电流，j0是由于热电效应和光伏效应引起的背景光电流，拟合得到Si衬底中的圆偏振磁致光电流S4。相较于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术测量结果准确，简洁高效，可行性高，有利于日后推广应用。附图说明图1是本专利技术实施例的实验光路示意图。图2是本专利技术实施例中通过可转动永磁体引入可变大小的面内磁场的实验示意图。图3是本专利技术实施例中由拉莫进动引起的圆偏振磁致电流的产生原理示意图。图4为本专利技术实施例中磁场转动角度θ为150°时由步骤3和步骤4测试得到的x轴方向光电流随四分之一波片转角的变化曲线。其中，小圆圈为实验数据，实线为采用公式(2)的拟合曲线。光电流数据已经除以光功率值，即用光功率进行了归一化。图5为本专利技术实施例中测得的厚度分别为7和20nm的三维拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜中用光功率归一化的磁致光电流Jc/I随x方向磁场Bx的变化曲线，以及Si本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种测量拓扑绝缘体Bi2Te3中拉莫进动引起的磁致光电流的方法，其特征在于，三维拓扑绝缘体Bi

【技术特征摘要】
1.一种测量拓扑绝缘体Bi2Te3中拉莫进动引起的磁致光电流的方法，其特征在于，三维拓扑绝缘体Bi2Te3生长于Si衬底上；三维拓扑绝缘体Bi2Te3用分子束外延设备生长，所述方法包括如下步骤：
步骤S1、获取三维拓扑绝缘体Bi2Te3样品，并在三维拓扑绝缘体Bi2Te3样品上用磁控溅射生长10nm的钛电极，用电子束蒸发镀100nm的金电极，电极是边长0.5mm的正方形电极，电极间距约为2.5mm；
步骤S2、用1064nm的激光作为激发光源，让激光通过斩波器、起偏器、四分之一波片，垂直照射在三维拓扑绝缘体Bi2Te3样品上两电极连线中点的位置；光斑直径小于两电极间距；
步骤S3、将三维拓扑绝缘体Bi2Te3样品放置在永磁铁的N极和S极之间，电极连线沿x方向，磁场平行于样品平面且沿x方向；通过转动磁铁来改变沿x方向的磁场大小；设磁场与x方向的夹角为θ；在每一个θ角上从0度到360度转动四分之一波片，以5度为一个步长，将每一个四分之一波片角度下的光电流通过电流放大器进行放大，并通过锁相放大器放大后进入数据卡进行采集；
步骤S4、转动永磁铁，从而改变磁场与x方向的夹角为θ的大小，此时，样品平面内沿x方向和y方向的磁场Bx和By可表示为：
Bx＝B×sinθ,By＝B×cosθ(1)
步骤S5、将每一个磁场转动角下的光电流用磁致光电流的公式进行拟合提取出圆偏振磁致光电流JC，即采用如下的公式(2)进行拟合：



其中，JC表示单位光功率和沿x方向的单位磁场强度引起的圆偏振磁致光电流，I为光强，φ为四分之一波长的转角，j0是由热电效应和光伏效应引起的背景光电流，JLMPGE1和JLMPGE2是由线偏振光激发引起的磁致光电流；
步骤S6、由拉莫进动引起的y方向的自旋极化为：



其中，



ωL为拉莫进动的频率，S0z是垂直入射圆偏振光引起电子的自旋极化方向，g是电子自旋磁矩和自旋角动量之比，μB为波尔磁子，为约化普朗克常数；τS、τS⊥、τS∥分别是三维拓扑绝缘体Bi2Te3自旋极化载流子的总自旋弛...

【专利技术属性】
技术研发人员：俞金玲，陈神忠，程树英，赖云锋，郑巧，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建;35