[發(fā)明專利]測(cè)量電子自旋相關(guān)輸運(yùn)的變溫顯微測(cè)量系統(tǒng)

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110159296.8
• 申請(qǐng)日: 2011-06-14
• 公開（公告）號(hào): CN102253323A
• 公開（公告）日: 2011-11-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李韞慧;章昊;肖文波;吳昊;譚平恒
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所
• 主分類號(hào): G01R31/26
• 分類號(hào): G01R31/26;G01R19/12
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 湯保平

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于半導(dǎo)體電學(xué)性質(zhì)測(cè)試技術(shù)和磁性材料磁學(xué)性質(zhì)測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及鐵磁金屬-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的自旋相關(guān)輸運(yùn)(包括從鐵磁金屬到半導(dǎo)體方向的自旋注入和從半導(dǎo)體到鐵磁性金屬方向的自旋濾波)性質(zhì)的測(cè)量技術(shù)。

背景技術(shù)

現(xiàn)代信息技術(shù)利用電子的電荷自由度來進(jìn)行信息處理，而用磁性材料的自旋自由度來存儲(chǔ)信息。自旋電子學(xué)這個(gè)新興的領(lǐng)域同時(shí)利用電子的這兩個(gè)自由度來產(chǎn)生新的功能，這可能引起未來的信息技術(shù)的革新。鐵磁金屬-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)間的自旋相關(guān)輸運(yùn)過程包括鐵磁材料向半導(dǎo)體材料的自旋電子注入，以及半導(dǎo)體材料向鐵磁材料的自旋電子檢測(cè)。由鐵磁金屬向半導(dǎo)體注入自旋的方法包括兩種；第一種方法是利用電學(xué)方法直接把鐵磁性材料的極化電子注入到半導(dǎo)體中；第二種是利用光學(xué)方法在半導(dǎo)體中泵浦出極化電子。自旋濾波效應(yīng)實(shí)驗(yàn)是利用鐵磁材料在Fermi面附近上下自旋態(tài)密度的不同，來探測(cè)半導(dǎo)體中自旋向上和向下的極化電子：與鐵磁金屬自旋多子的自旋方向相同的電子可以通過鐵磁材料；反之就會(huì)被鐵磁材料阻擋住。通過測(cè)量不同極化電流的值，獲得電子的自旋極化方向和自旋極化電流的大小。

有的小組(J.Appl.Phys，87，pp4670-4672，2000)研究了NiFe/GaAs間Schottky勢(shì)壘在偏振光激發(fā)下的偏振光電流，研究結(jié)果顯示鐵磁薄膜的磁化強(qiáng)度方向和Schottky勢(shì)壘高度決定了半導(dǎo)體和鐵磁材料間自旋相關(guān)光電流。這一研究方法可以測(cè)量鐵磁金屬-半導(dǎo)體材料的自旋相關(guān)電子輸運(yùn)過程。然而，一方面，我們希望測(cè)量樣品在不同磁場(chǎng)下的自旋相關(guān)輸運(yùn)性質(zhì)，并且有足夠大的外加磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而使鐵磁金屬薄膜的磁化強(qiáng)度方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)；另一方面，由于溫度上升會(huì)加速自旋偏振電子向非極化狀態(tài)的弛豫過程，使自旋極化效應(yīng)難于觀測(cè)，因此，使樣品處于低溫環(huán)境有助于觀測(cè)到自旋相關(guān)效應(yīng)?，F(xiàn)階段通常采用液氦循環(huán)的樣品腔和液氦制冷的超導(dǎo)線圈來獲取低溫和強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境，然而，液氦的昂貴和獲取困難給實(shí)驗(yàn)條件帶來了很大的制約，因此我們希望通過不依賴于液氦的方法展開自旋輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)研究。

為此，我們發(fā)明了一種可以改變磁場(chǎng)強(qiáng)度和環(huán)境溫度的測(cè)量自旋相關(guān)輸運(yùn)性質(zhì)的方法，采用光學(xué)方法在鐵磁金屬-半導(dǎo)體樣品中產(chǎn)生自旋極化電子，通過測(cè)量不同磁場(chǎng)和溫度下的偏振相關(guān)光生電壓隨直流偏壓變化來實(shí)現(xiàn)，該方法經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便，易于操作，能夠給自旋相關(guān)輸運(yùn)性質(zhì)的研究帶來很大幫助。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種研究在不同磁場(chǎng)和不同溫度下鐵磁材料和半導(dǎo)體界面處自旋相關(guān)輸運(yùn)的系統(tǒng)。利用這套系統(tǒng)，可以改變磁場(chǎng)強(qiáng)度和樣品溫度，利用光學(xué)方法得到自旋極化電子，測(cè)量從鐵磁材料向半導(dǎo)體注入自旋的自旋注入效應(yīng)和半導(dǎo)體中極化電子向鐵磁材料輸運(yùn)過程中的自旋濾波效應(yīng)。

本發(fā)明提供一種測(cè)量電子自旋相關(guān)輸運(yùn)的變溫顯微測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：

一HeNe激光器，用來激發(fā)樣品光生載流子；

一格蘭泰勒棱鏡，位于HeNe激光器的主光路上，將HeNe激光器出射的激光變成線偏振光；

一光彈調(diào)制器，將線偏振光調(diào)制為按50KHz周期調(diào)制的左右旋圓偏振光；

一顯微物鏡，該顯微物鏡位于主光路上，用于將入射激光聚焦在樣品臺(tái)面上；

一變溫液氮杜瓦樣品座，該變溫液氮杜瓦樣品座位于主光路上，該變溫液氮杜瓦樣品座包括一溫度控制儀，一紫銅冷指，待測(cè)量樣品固定在紫銅冷指頂端；

一數(shù)字電壓電流源表，與變溫液氮杜瓦樣品座內(nèi)的待測(cè)量樣品連接，用于施加直流偏置電壓，并同時(shí)讀取樣品回路的直流電流大小，其控制端通過GPIB線與一計(jì)算機(jī)連接；

一取樣電阻，與變溫液氮杜瓦樣品座內(nèi)的待測(cè)量樣品回路連接，用于將待測(cè)量樣品的交流電壓信號(hào)提取出來；

一鎖相放大器，該鎖相放大器的信號(hào)輸入端與取樣電阻連接，用來測(cè)量樣品的偏振相關(guān)交流電壓信號(hào)，其觸發(fā)輸入端與光彈調(diào)制器連接，該鎖相放大器的控制端通過GPIB線與一計(jì)算機(jī)連接；

一半反半透鏡組，該半反半透鏡組位于主光路上；

一白光光源，使出射的白光通過半反半透鏡組照射在變溫液氮杜瓦樣品座內(nèi)的樣品臺(tái)面上，用以觀察和調(diào)節(jié)HeNe激光器光斑打在待測(cè)量樣品臺(tái)面上的位置；

一攝像機(jī)和顯示器，用來顯示輸出待測(cè)量樣品臺(tái)面成像以及激光光斑位置；

一釹鐵硼環(huán)形永磁體，開有一通孔，同軸套在變溫液氮杜瓦樣品座的紫銅冷指外部；該釹鐵硼環(huán)形永磁體為水平移動(dòng)，用于對(duì)待測(cè)量樣品提供可變的外加磁場(chǎng)強(qiáng)度。

其中在HeNe激光器的主光路上還有兩個(gè)平面反射鏡。