[發明專利]一種基于自旋濾波的太赫茲發射器及其制備方法

有效

• 申請號: 202011477529.4
• 申請日: 2020-12-15
• 公開（公告）號: CN112563864B
• 公開（公告）日: 2023-01-17
• 發明（設計）人: 金鉆明;朱亦鳴;彭滟;莊松林
• 申請（專利權）人: 上海理工大學
• 主分類號: H01S1/02
• 分類號: H01S1/02
• 代理公司: 上海邦德專利代理事務所(普通合伙) 31312
• 代理人: 王文娟

本發明公開了一種基于自旋濾波的太赫茲發射器及其制備方法，包括襯底基片、設置于所述襯底基片上的鐵磁層、設置于所述鐵磁層上的自旋濾波層、設置于所述自旋濾波層上的非磁層及設置于所述非磁層上的覆蓋層，所述鐵磁層、自旋濾波層及非磁層構成異質結。根據本發明，太赫茲發射器制備工藝相對簡單、成本低、不包括任何刻蝕步驟，只需在多種襯底上沉積均勻的薄層，能夠實現太赫茲輻射源的小型化和集成化。

技術領域

本發明涉及光電功能器件的技術領域，特別涉及一種基于自旋濾波的太赫茲發射器及其制備方法。

背景技術

超快激光技術是近幾十年來最強有力的新工具之一，為太赫茲脈沖的產生提供了穩定、可靠的激發光源。基于太赫茲輻射的成像技術和時域光譜技術廣泛應用于醫學、軍事、現代通信技術等諸多領域。隨著太赫茲科學技術的發展，研發成本低、高效率、結構緊湊的小型太赫茲輻射源成為太赫茲技術發展的關鍵。太赫茲輻射源主要有三種設計方案。第一是光子學技術，以太赫茲激光器(氣體激光器、量子級聯激光器等)為代表，這一技術從高頻向低頻發展。第二是電子學技術，以微波元件(微波管等)為代表，這一技術由低頻向高頻拓展。第三是超快光電子學技術，利用超短激光脈沖以及非線性差頻和參量過程等效應產生太赫茲波，這一技術由1THz左右出發向兩側拓展。就實際應用而言，太赫茲氣體激光器所輻射的太赫茲波的頻率不是連續可調的，且體積龐大，難以實現小型化；光電導天線輻射太赫茲電磁波的頻率低，外置輔助設備復雜；光整流效應使用的非線性電光晶體碲化鋅制作成本高，工藝復雜，對產生的太赫茲有本征吸收；非線性差頻轉換效率低，結構復雜，不易調諧。

近年來，飛秒激光驅動的基于鐵磁/非磁異質結構的電子自旋太赫茲輻射源已經得到重點研究，是備受關注的新型太赫茲相干輻射源的候選材料與結構之一。由于鐵磁材料中多數自旋電子和少數自旋電子的具有不同的壽命、載流子密度以及遷移率，可以實現光激發自旋流的超快注入。2013年，德國科學家Kampfrath首次利用逆自旋霍爾效應產生高效的電荷流，輻射出寬頻太赫茲電磁脈沖【Kampfrath T,et al.Terahertz spin currentpulses controlled by magnetic heterostructures[J].Nature Nanotechnology,8,256(2013)】。2016年，Seifert等人在傳統的雙層膜鐵磁/非磁異質結構中加入另一個具有相反自旋霍爾角的覆蓋層，優化后的三層膜結構大大地提高了太赫茲輻射效率。基于鐵磁異質結構的太赫茲輻射源可以與非線性晶體或光電導天線相媲美，具有成本低、穩定性高、結構緊湊等優點，在商用太赫茲光譜和太赫茲成像領域具有廣闊的應用前景【Seifert T,etal.Efficient metallic spintronic emitters of ultrabroadband terahertzradiation[J].Nature Photonics 10,483(2016)】。2018年，Torosyan等人從厚度、生長參數、襯底和幾何構置等方面對鐵磁/非磁異質結構Fe/Pt進行了優化【Torosyan G,etal.Optimized Spintronic Terahertz Emitters Based on Epitaxial Grown Fe/PtLayer Structures[J].Scientific Reports 8,1311(2018)】。由于自旋電子學太赫茲發射器中的工作物質是鐵磁金屬和非磁性重金屬納米薄膜，將非常適合于生物傳感和近場成像。最近，Bai等人將基于鐵磁異質結構的太赫茲輻射源與非對稱雙裂環形諧振腔集成，制成單片太赫茲輻射生物傳感器，具有高靈敏度的亞微米空間分辨率【Zhongyang Bai,etal.Near-field Terahertz Sensing of HeLa Cells and Pseudomonas Based onMonolithic 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茲輻射源，結合計算鬼成像技術實現了一種超衍射分辨的太赫茲顯微儀，能夠在近場中獲得微米量級的太赫茲波空間分辨【Si-Chao Chen,et al.Ghost spintronic THz-emitter-arraymicroscope[J].Light:ScienceApplications 9,99(2020)】。