[發明專利]測量拓撲絕緣體Bi2Te3中拉莫進動引起的磁致光電流的方法

有效

• 申請號: 202110065501.8
• 申請日: 2021-01-18
• 公開（公告）號: CN112881773B
• 公開（公告）日: 2022-05-10
• 發明（設計）人: 俞金玲;陳神忠;程樹英;賴云鋒;鄭巧
• 申請（專利權）人: 福州大學
• 主分類號: G01R15/24
• 分類號: G01R15/24;G01R19/00
• 代理公司: 福州元創專利商標代理有限公司 35100
• 代理人: 陳明鑫;蔡學俊

1.一種測量拓撲絕緣體 Bi₂Te₃ 中拉莫進動引起的磁致光電流的方法，其特征在于，三維拓撲絕緣體Bi₂Te₃生長于Si襯底上；三維拓撲絕緣體Bi₂Te₃用分子束外延設備生長，所述方法包括如下步驟：

步驟S1、獲取三維拓撲絕緣體Bi₂Te₃樣品，并在三維拓撲絕緣體Bi₂Te₃樣品上用磁控濺射生長10nm的鈦電極，用電子束蒸發鍍100nm的金電極，電極是邊長0.5mm的正方形電極，電極間距約為2.5mm；

步驟S2、用1064nm的激光作為激發光源，讓激光通過斬波器、起偏器、四分之一波片，垂直照射在三維拓撲絕緣體Bi₂Te₃樣品上兩電極連線中點的位置；光斑直徑小于兩電極間距；

步驟S3、將三維拓撲絕緣體Bi₂Te₃樣品放置在永磁鐵的N極和S極之間，電極連線沿x方向，磁場平行于樣品平面且沿x方向；通過轉動永磁鐵來改變沿x方向的磁場大??；設磁場與y方向的夾角為θ；在每一個θ角上從0度到360度轉動四分之一波片，以5度為一個步長，將每一個四分之一波片角度下的光電流通過電流放大器進行放大，并通過鎖相放大器放大后進入數據卡進行采集；

步驟S4、轉動永磁鐵，從而改變磁場與y方向的夾角θ的大小，此時，樣品平面內沿x方向和y方向的磁場B_x和B_y可表示為：

B_x＝B×sinθ,B_y＝B×cosθ (1)

步驟S5、將每一個磁場轉動角下的光電流用磁致光電流的公式進行擬合提取出圓偏振磁致光電流J_C，即采用如下的公式(2)進行擬合：

其中，J_C表示單位光功率和沿x方向的單位磁場強度引起的圓偏振磁致光電流，I為光強，φ為四分之一波長的轉角，j₀是由熱電效應和光伏效應引起的背景光電流，J_LMPGE1和J_LMPGE2是由線偏振光激發引起的磁致光電流；

步驟S6、由拉莫進動引起的y方向的自旋極化為：

其中，

ω_L為拉莫進動的頻率，S_0z是垂直入射圓偏振光引起電子的自旋極化方向，g是電子自旋磁矩和自旋角動量之比，μ_B為波爾磁子，為約化普朗克常數；τ_S、τ_S⊥、τ_S∥分別是三維拓撲絕緣體Bi₂Te₃自旋極化載流子的總自旋弛豫時間、橫向自旋弛豫時間、縱向自旋弛豫時間；由公式(3)和(4)可以得到磁場作用下面內自旋極化與面內磁場的直接關系：

即其中，b＝gμ_Bτ_S⊥S_0z，S_y是由拉莫進動引起的y方向自旋極化；若測得的圓偏振磁致光電流J_C是由拉莫進動 引起的，那么必然滿足如下關系式：

其中，m和n為擬合常數；

步驟S7、將步驟S5中通過用公式(2)擬合實驗數據提取出圓偏振磁致光電流J_C作為縱坐標，x方向的磁場B_x為橫坐標，作圖；用公式(6)對數據進行擬合，若擬合的決定系數R²大于0.75，則擬合較好，表明所測得的圓偏振磁致光電流J_C為拉莫進動引起；

步驟S8、運用同樣的實驗設置及測試手段對Si襯底進行光電流測試，將得到的數據用符合Si的C_2v點群對稱性的磁致光電流公式進行擬合，獲得Si襯底的圓偏振磁致光電流；將Si襯底的圓偏振磁致光電流的數據與拓撲絕緣體Bi₂Te₃中測得圓偏振磁致光電流進行比較，若前者比后者大5倍以上，則表明測得的圓偏振磁致光電流是由三維拓撲絕緣體產生的，而不是由Si襯底產生的。