[發(fā)明專利]一種區(qū)分Bi2Se3表面態(tài)與體態(tài)光致逆自旋霍爾電流的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710888588.2
• 申請(qǐng)日: 2017-09-27
• 公開（公告）號(hào): CN107819067B
• 公開（公告）日: 2019-07-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙宜升;曾曉琳;俞金玲;程樹英
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 福州大學(xué)
• 主分類號(hào): H01L43/06
• 分類號(hào): H01L43/06;G01R19/00
• 代理公司: 福州元?jiǎng)?chuàng)專利商標(biāo)代理有限公司 35100
• 代理人: 蔡學(xué)俊

1.一種區(qū)分Bi2Se3表面態(tài)與體態(tài)光致逆自旋霍爾電流的方法，其特征在于：在鈦酸鍶襯底的(111)晶面上生長(zhǎng)拓?fù)浣^緣體Bi₂Se₃；而后用高斯分布的圓偏振激光在垂直入射的情況下激發(fā)拓?fù)浣^緣體Bi₂Se₃的體態(tài)和表面態(tài)的光致逆自旋霍爾效應(yīng)電流，測(cè)得當(dāng)激光光斑位置在兩電極a、b連線的垂直平分線上移動(dòng)時(shí)的光致逆自旋霍爾效應(yīng)電流；最后，通過(guò)建立區(qū)分拓?fù)浣^緣體Bi₂Se₃表面態(tài)與體態(tài)光致逆自旋霍爾電流的定量擬合模型，并進(jìn)行模型擬合，得到體態(tài)和表面態(tài)的光致逆自旋霍爾電流；

所述建立區(qū)分拓?fù)浣^緣體Bi₂Se₃表面態(tài)與體態(tài)光致逆自旋霍爾電流的定量擬合模型具體方式如下，

由于高斯分布的圓偏振激光在垂直入射產(chǎn)生的激光光斑為高斯激光光斑，所以光場(chǎng)強(qiáng)度呈現(xiàn)高斯分布，光激發(fā)產(chǎn)生的載流子也是呈現(xiàn)高斯分布；在激光光斑的徑向方向，由于自旋極化載流子濃度的梯度，將會(huì)產(chǎn)生沿徑向的自旋流，D是自旋擴(kuò)散系數(shù)，N_z是沿z方向自旋的載流子濃度；由于逆自旋霍爾效應(yīng)，沿徑向運(yùn)動(dòng)的電子將受到自旋橫向力f(r)，從而產(chǎn)生橫向的渦旋流；自旋橫向力可以表示為

其中，G(r)是光強(qiáng)度的空間分布，表示z方向的單位矢量，γ是與自旋軌道耦合相關(guān)的常數(shù)，m^*為電子有效質(zhì)量，τ_s為自旋遲豫時(shí)間；因此，

其中，f₀＝m^*γτ_sD；對(duì)應(yīng)二維導(dǎo)體，圓偏振電動(dòng)力是由圓偏振激光垂直入射的光照引起的，可以表示為q是單位電荷，R是積分路徑的半徑；渦旋流是有渦旋電場(chǎng)引起的，電場(chǎng)E(R)可以表示為由斯托克斯公式，可以得到：

所以，

兩電極a、b兩點(diǎn)的電壓可以表示為兩電極a、b兩點(diǎn)測(cè)到的電流為：

其中，abo表示沿兩電極a、b和激光光斑圓心o的閉合回路，D_abo表示abo三點(diǎn)圍成的面積；因此，若設(shè)由b到a的方向?yàn)檎较颍瑒t有

其中，±分別對(duì)應(yīng)激光光斑在兩電極a、b左邊和右邊的情形；當(dāng)光強(qiáng)較大，激光光斑中心區(qū)域的吸收趨于飽和，不存在載流子濃度的梯度，對(duì)渦旋電流沒(méi)有貢獻(xiàn)，因此對(duì)面積積分的時(shí)候應(yīng)當(dāng)扣除這部分的面積積分，設(shè)飽和區(qū)域的半徑為r_s；注意到以上公式只有在激光光斑區(qū)域是適用的，因?yàn)?，?dāng)大于激光光斑區(qū)域時(shí)，不成立；因此，要將圓外的電流與跟圓邊沿上的電流聯(lián)系起來(lái)；

設(shè)f點(diǎn)為ab線段上任意一點(diǎn)，線段of與激光光斑邊緣的交點(diǎn)為e，則f點(diǎn)電流I_f和e點(diǎn)電流I_e有如下關(guān)系：

其中x₀為激光光斑中心，r₀為激光光斑半徑，L_s為電荷擴(kuò)散長(zhǎng)度，A為常數(shù)，θ為of與激光光斑中垂線的夾角；因此可得：

當(dāng)x₀＝0時(shí)，I_ab＝0，

當(dāng)x₀≠0時(shí)

其中，

r_s2為體層的飽和吸收半徑，θ_c1＝arcos(x₀/r₀),θ_c2＝arcos(x₀/r_s)，“±”中“+”對(duì)應(yīng)x₀>0，“-”對(duì)應(yīng)x₀<0的情況；首先要確定飽和吸收區(qū)半徑r_s；假設(shè)激光光斑的積分總強(qiáng)度為I₀，則光強(qiáng)分布為：

假設(shè)表面層飽和吸收光強(qiáng)為總光強(qiáng)的Q₀倍，則令

可以計(jì)算出飽和吸收區(qū)半徑r_s；則在半徑為r_s的飽和吸收區(qū)，吸收光的強(qiáng)度都一樣，吸收達(dá)到飽和，此區(qū)域表面層吸收的光強(qiáng)為而未吸收部分的光將透過(guò)表層被體層吸收；半徑大于r_s部分的光強(qiáng)將都被表層吸收，無(wú)法到達(dá)體層；通過(guò)將式(1)和式(2)對(duì)測(cè)得的光致逆自旋霍爾電流隨激光光斑位置的曲線進(jìn)行擬合，即可得到表面態(tài)和體態(tài)的逆自旋霍爾效應(yīng)電流。