探测Bi2Te3表面态六角翘曲的电流诱导自旋极化的方法技术

本发明专利技术涉及一种探测Bi2Te3表面态六角翘曲的电流诱导自旋极化的方法。包括：制备Bi2Te3薄膜样品并在其上沉积矩形的电极；通过引线将电极与电流前置放大器的输入端相连；将斩波器的斩波频率、光弹性调制器的一倍频分别作为锁相放大器1、锁相放大器2的参考信号，电流前置放大器的输出端与锁相放大器1、锁相放大器2的输入端相连；激光器发出的光依次通过斩波器、起偏器、光弹性调制器以及透镜，以入射角θ照射在样品上两电极连线的中点；测得不同入射角下的普通光电导电流和圆偏振相关的光电流；计算得到不同入射角下的圆偏振光电导差分电流，通过公式拟合得到Bi2Te3表面态六角翘曲的圆偏振光电导差分电流随入射角的变化曲线。线。线。

【技术实现步骤摘要】
探测Bi2Te3表面态六角翘曲的电流诱导自旋极化的方法


[0001]本专利技术属于自旋电子学领域，具体涉及一种探测Bi2Te3表面态六角翘曲的电流诱导自旋极化的方法。

技术介绍

[0002]三维拓扑绝缘体的表面态是自旋动量锁定的狄拉克型电子态，受时间反演对称性的保护，在自旋电子器件领域有很好的应用前景。三维拓扑绝缘体Bi2Te3是典型的第三代三维拓扑绝缘体，因此，受到人们的广泛关注。由于薄膜生长过程中存在缺陷，三维拓扑绝缘体Bi2Te3为n型导电。当电子的浓度较大的时候，费米能级将会进入导带。此时，费米面上电子的自旋方向并不都在平面内，而是会出现六角翘曲现象。
[0003]三维拓扑绝缘体在自旋电子器件方面具有很好的应用前景。在自旋电子器件的应用方面，要求在体系中产生较强的自旋极化，并对自旋极化进行探测。电流诱导自旋极化提高了一种通过电学方法产生自旋极化的手段。电流诱导自旋极化的探测具有较大的难度。有两种方法对电流诱导自旋极化进行探测，第一种方法是可以通过克尔转角的方法进行探测，第二种方法是通过引入磁性结进行探测。然而，这两种方法都难以将三维拓扑绝缘体表面态六角翘曲的电流诱导自旋极化分离出来。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种探测Bi2Te3表面态六角翘曲的电流诱导自旋极化的方法，该方法有利于简单、快捷、有效地测量三维拓扑绝缘体Bi2Te3表面态六角翘曲的电流诱导自旋极化。
[0005]为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种探测Bi2Te3表面态六角翘曲的电流诱导自旋极化的方法，包括以下步骤：
[0006]步骤S1、在衬底上生长三维拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜；
[0007]步骤S2、在三维拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜上制备一对矩形的电极；
[0008]步骤S3、通过引线将三维拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜上的电极与电流前置放大器的输入端相连；
[0009]步骤S4、激光器发出的激光依次经过斩波器、起偏器、光弹性调制器和透镜，照射在三维拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜的两电极连线的中点，激光入射面与两电极连线垂直；
[0010]步骤S5、将斩波器的工作频率输入到锁相放大器1的参考频率输入端，电流前置放大器的输出端接入锁相放大器1的输入端，锁相放大器1的输出端接入数据采集卡，通过数据采集卡采集电流信号；将光弹性调制器的1倍频的频率输入到锁相放大器2的参考频率输入端，电流前置放大器的输出端接入锁相放大器2的输入端，锁相放大器2的输出端接入数据采集卡，通过数据采集卡采集电流信号；
[0011]步骤S6、在激光入射角θ下，通过三维拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜上的两个电极给三维拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜施加一个直流电压V，测量出两电极间距d，由E＝V/d计算得到电场；
通过数据采集卡采集此电场下锁相放大器1提取出的电流信号，记为I0，该电流为普通的光电导电流；通过数据采集卡采集此电场下锁相放大器2提取出的电流信号，记为I，该电流为圆偏振光相关的光电流；改变直流电压从正变到负，从而改变电场，采集不同电场下的I0和I；
[0012]步骤S7、通过如下公式(1)
‑
(6)算出电场E
+
导致的圆偏振光电导差分电流I
CPDC
：
[0013][0014][0015][0016][0017][0018][0019]公式(1)
‑
(6)中，E
+
为正的电场值，E
‑
与E
+
的绝对值相等，但符号相反，即E
‑
＝
‑
E
+
；I0(E
+
)表示当外加的电场为E
+
时的普通的光电导电流，I(E
+
)表示当外加的电场为E
+
时的圆偏振光相关的光电流；和表示普通的光电导电流中关于电场的偶函数分量和奇函数分量，R(E)为普通的光电导电流中关于电场的偶函数分量和奇函数分量的比值，和分别表示圆偏振光相关的光电流中电场E的偶函数分量和奇函数分量，其中E＝E
+
；I(0)表示外加电场为零时的圆偏振相关的光电流；I
CPDC
(E)表示电场为E的情况下的圆偏振光电导差分电流；
[0020]步骤S8、改变激光的入射角，按照步骤S6和S7，得到不同入射角下的圆偏振光电导差分电流I
CPDC
随电场的变化曲线；入射角从正角度变到负角度，正入射角和负入射角的绝对值相同；
[0021]步骤S9、按步骤S6
‑
S8，选取一个电场，得到该电场下圆偏振光电导差分电流I
CPDC
随入射角的变化曲线；按如下公式对不同入射角下的I
CPDC
电流进行拟合，从而得到表面态六角翘曲的信号：
[0022][0023][0024]其中，A1和A2为拟合参数，n为三维拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜在对应入射激光波长处的折射率；通过拟合，得到参数A1和A2，从而得到三维拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜表面态六角翘曲的圆偏振光电导差分电流随入射角的变化曲线为：
[0025][0026]由于圆偏振光电导差分电流正比于电流诱导的自旋极化，从而得到相应电场或电流下的三维拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜表面态六角翘曲的电流诱导自旋极化。
[0027]在本专利技术一实施例中，所述三维拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜的厚度在几纳米到几十纳米之间。
[0028]在本专利技术一实施例中，所述三维拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜的电极为钛金电极，其中：钛10nm，金100nm；电极制备方法是电子束蒸发，打在三维拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜上的激光光斑的直径小于电流通道宽度的1/2，即小于矩形电极宽度的1/2，且打在三维拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜上的激光光斑大小小于两电极的间距，从而光斑不会打到电极上。
[0029]在本专利技术一实施例中，所述步骤S4中，所述激光器的波长对应的能量要大于三维拓扑绝缘体Bi2Te3的带隙，激光功率为20
‑
200mW。
[0030]在本专利技术一实施例中，所述步骤S5中，所述光弹性调制器的1倍频调制频率为50KHz，光弹性调制器的主轴方向与起偏器的偏振方向夹角为45度，光弹性调制器的位相延迟为0.25
×
激光波长。
[0031]在本专利技术一实施例中，所述斩波器的斩波频率为200～4000Hz。
[0032]在本专利技术一实施例中，所述步骤S6中，所述施加的电压大小为绝对值为0～5V。
[0033]在本专利技术一实施例中，所述步骤S8中，入射角的变化范围是
‑
40度到40度。
[0034]相较于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术通过简单易行的方法将表面态六角翘曲的电流诱导自旋极化测量出来，简单易行，成本低廉，具有很强的实用性和广阔的应用前景。
附图说明
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种探测Bi2Te3表面态六角翘曲的电流诱导自旋极化的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1、在衬底上生长三维拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜；步骤S2、在三维拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜上制备一对矩形的电极；步骤S3、通过引线将三维拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜上的电极与电流前置放大器的输入端相连；步骤S4、激光器发出的激光依次经过斩波器、起偏器、光弹性调制器和透镜，照射在三维拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜的两电极连线的中点，激光入射面与两电极连线垂直；步骤S5、将斩波器的工作频率输入到锁相放大器1的参考频率输入端，电流前置放大器的输出端接入锁相放大器1的输入端，锁相放大器1的输出端接入数据采集卡，通过数据采集卡采集电流信号；将光弹性调制器的1倍频的频率输入到锁相放大器2的参考频率输入端，电流前置放大器的输出端接入锁相放大器2的输入端，锁相放大器2的输出端接入数据采集卡，通过数据采集卡采集电流信号；步骤S6、在激光入射角θ下，通过三维拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜上的两个电极给三维拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜施加一个直流电压V，测量出两电极间距d，由E＝V/d计算得到电场；通过数据采集卡采集此电场下锁相放大器1提取出的电流信号，记为I0，该电流为普通的光电导电流；通过数据采集卡采集此电场下锁相放大器2提取出的电流信号，记为I，该电流为圆偏振光相关的光电流；改变直流电压从正变到负，从而改变电场，采集不同电场下的I0和I；步骤S7、通过如下公式(1)
‑
(6)算出电场E
+
导致的圆偏振光电导差分电流I
CPDC
：：：：：：公式(1)
‑
(6)中，E
+
为正的电场值，E
‑
与E
+
的绝对值相等，但符号相反，即E
‑
＝
‑
E
+
；I0(E
+
)表示当外加的电场为E
+
时的普通的光电导电流，I(E
+
)表示当外加的电场为E
+
时的圆偏振光相关的光电流；和表示普通的光电导电流中关于电场的偶函数分量和奇函数分量，R(E)为普通的光电导电流中关于电场的偶函数分量和奇函数分量的比值，和分别表示圆偏振光相关的光电流中电场E的偶函数分量和奇函数分量，其中E＝E
+
；I(0)表示外加电场为零时的圆偏振相关的光电流；I
CPDC
(E)表示电场为E的情况下的圆偏振光电导差分电流；
步骤S8、改变激光的入射角，按照步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：俞金玲，庄航，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：