CN101943664A - 强磁场环境和液氮温度下的自旋相关输运测量系统 - Google Patents

Abstract

一套强磁场环境和液氮温度下的自旋相关输运测量系统，包括：一液氮杜瓦；一手动五维调节平台，放置液氮杜瓦，用于调节液氮杜瓦的空间位置；一钕铁硼永磁体，同轴地套在液氮杜瓦的铝套筒外侧，用于提供测量的强磁场环境；一电动一维平移台，位于钕铁硼永磁体下方；一手动一维升降台，位于电动一维平移台下方，用于调节钕铁硼永磁体和液氮杜瓦的相对位置；一超长工作距离物镜，位于液氮杜瓦的光学窗口的正前方，用于聚焦激发光到样品、以及收集并准直样品发出的荧光；一宽波段偏振非敏感分束棱镜，位于钕铁硼永磁体的通孔的一侧；一荧光光路，从样品出射，并经过超长工作距离物镜准直到垂直于光学窗口的方向；一激发光光路，与荧光光路正交于宽波段偏振非敏感分束棱镜。

Description

强磁场环境和液氮温度下的自旋相关输运测量系统

技术领域

本发明涉及半导体自旋电子学领域，特别是涉及对半导体自旋电子学材料(比如：铁磁金属/半导体结构)的自旋相关输运性质的测量。

背景技术

自从1988年巨磁电阻(Giant Magneto Resistance)效应在Fe/Cr多层结构中被发现后，20年来，旨在利用电子的另一内禀属性自旋来扮演电子电荷在现代信息技术领域中类似角色的新兴学科-自旋电子学，无论在实验室还是工业界都取得了令人惊异的长足发展。

在自旋电子学的研究中，磁场往往是不可或缺的实验条件：对如GaAs:Mn一类的所谓稀磁半导体，由于塞曼(Zeeman)效应的存在，能带在外加磁场下会产生分裂，而具有不同的能量和自旋取向；对如Fe/GaAs一类的铁磁金属/半导体结构，在进行自旋注入或自旋滤波等研究时，通常采用法拉第(Faraday)配置，则在光学选择定则的限制下，需要铁磁金属薄膜的磁化强度方向平行于样品生长方向，这通常要求一个很大的磁场来实现。

另一方面，使样品处于低温的环境也是观测到显著自旋相关效应的必要条件之一：样品中电子的自旋极化，即+1/2和-1/2自旋的电子数目不等，是一种非平衡的状态，总是会趋于向平衡的非极化状态弛豫，而温度的上升则会加速这种弛豫过程，使对自旋极化效应的观测变得困难，甚至无法观测。

现阶段，实验室里获取低温和强磁场的手段，往往是通过液氦循环的样品腔和液氦致冷的超导线圈。然而，液氦的稀缺同时导致了它的昂贵和获取困难，给液氦实验带来了很大的不便。所以，一套简便、经济、不依赖于液氦而且能够提供低温和强磁场环境的系统能够给自旋相关性质的研究带来很大的帮助。

发明内容

本发明的目的在于提供一套易搭建且低成本的、能够提供强磁场和低温样品环境的自旋相关输运测量系统。由于钕铁硼永磁体在提供磁场时无需消耗任何资源，以及液氮容易获取且价格低廉，本系统可以在任何时候以很低的成本进行工作。利用这套系统，可以测量样品在电学驱动下的光学响应，比如自旋分辨的电致荧光，也可以测量样品在光学驱动下的电学响应，比如光生极化载流子的自旋滤波效应。

本发明提供一套强磁场环境和液氮温度下的自旋相关输运测量系统，该系统包括：

一液氮杜瓦，该液氮杜瓦底部一侧有一紫铜冷指，用于放置样品，使样品达到液氮温度，该冷指外部同轴地套有一铝套筒，用于保护冷指所处的真空环境，该套筒顶端开有一石英光学窗口，用于通过激发光和荧光；

一手动五维调节平台，放置液氮杜瓦，用于调节液氮杜瓦的空间位置；

一钕铁硼永磁体，开有一通孔，该钕铁硼永磁体的通孔同轴地套在液氮杜瓦的铝套筒外侧，用于提供测量的强磁场环境；

一电动一维平移台，位于钕铁硼永磁体下方，用于调节钕铁硼永磁体和液氮杜瓦的相对位置；

一手动一维升降台，位于电动一维平移台下方，用于支撑钕铁硼永磁体和电动一维平移台，以及调节钕铁硼永磁体和液氮杜瓦的相对位置；

一超长工作距离物镜，位于液氮杜瓦的光学窗口的正前方，用于聚焦激发光到样品、以及收集并准直样品发出的荧光；

一宽波段偏振非敏感分束棱镜，位于钕铁硼永磁体的通孔的一侧；

一荧光光路，从样品出射，并经过超长工作距离物镜准直到垂直于光学窗口的方向；

一激发光光路，与荧光光路正交于宽波段偏振非敏感分束棱镜。

其中在该荧光光路上依次排列有第一宽波段四分之一波长波片、第一宽波段线偏振片、单色仪和探测器，该荧光光路与宽波段偏振非敏感分束棱镜在同一光路上。

其中在该激发光光路上依次排列有外置激光器、第二宽波段线偏振片和第二宽波段四分之一波长波片。

其中还包括一数字源表，该数字源表与样品通过导线相连接，用于对样品施加驱动电压或电流，以及测量样品的响应。

其中外置激光器为任何激光器，以满足不同实验目的对激发线的不同需求。

本系统提供了强磁场和低温的样品环境，可以测量到显著的自旋相关性质。提供了磁场垂直和平行样品生长方向的两种测量几何，并且可以改变样品处磁场的强度和方向。本系统可用于测量多种材料，尤其是铁磁金属/半导体结构的各种自旋相关输运性质，比如自旋滤波效应、自旋注入等。

附图说明

为进一步说明本发明的内容及特点，以下结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1是强磁场环境和液氮温度下的自旋相关输运测量系统的架构简图。

图2是利用本测量系统在液氮温度下测量的砷化镓量子阱的自旋分辨的电致荧光光谱。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明为一套强磁场和低温样品环境的自旋相关输运测量系统，该系统包括：

一液氮杜瓦10，该液氮杜瓦10底部一侧有一紫铜冷指11，用于放置样品20，并使样品20达到液氮温度，该紫铜冷指11外部同轴地套有一铝套筒12，用于保护冷指11所处的真空环境，该铝套筒12的顶端开有一石英光学窗口13，用于高透射率的通过激发光和荧光，该液氮杜瓦10的紫铜冷指11伸入后叙的钕铁硼永磁体50的通孔51，使冷指顶端的样品20处于均匀的强磁场环境中，该液氮杜瓦10可以更换不同的冷指，使样品20置于冷指上时，其生长方向可以与冷指表面垂直或平行，从而样品20可以感受到平行或垂直于其生长方向的强磁场。

一手动五维调节平台30，放置液氮杜瓦10，用于调节液氮杜瓦10的空间位置，从而使超长工作距离物镜80可以聚焦到样品20表面的不同位置。

一数字源表40，从数字源表40引出导线(图中未画出)与样品20相连，用于对样品20施加驱动电压或电流、以及测量样品20的响应。

一钕铁硼永磁体50，开有一通孔51，钕铁硼永磁体50的通孔51同轴地套在液氮杜瓦10的铝套筒12外侧，用于提供测量的强磁场环境，该钕铁硼永磁体50为有一同心通孔的圆柱体，通孔51轴向中心区域的磁场大致均匀且沿轴向，该轴向磁场从磁体中心到端面近线性变化。

一电动一维平移台60，位于钕铁硼永磁体50下方，用于调节钕铁硼永磁体50和液氮杜瓦10的相对位置，可以通过对一维电动平移台60的控制，改变钕铁硼永磁体50和液氮杜瓦10之间的距离，从而控制样品20感受到的的磁场强度及方向。

一手动一维升降台70，位于电动一维平移台60下方，用于支撑钕铁硼永磁体50和电动一维平移台60，以及调节钕铁硼永磁体50和液氮杜瓦10的相对位置。

一超长工作距离物镜80，位于液氮杜瓦10的光学窗口13正前方，用于聚焦激发光到样品20、以及收集并准直样品20发出的荧光，该超长工作距离物镜80由一有同心通孔的圆柱形支架支持(未图示)，并伸入钕铁硼永磁体50的通孔51，使超长工作距离物镜80到样品20的距离等于其工作距离，该超长工作距离物镜80具有很长的工作距离，可以准确地将激发光路110的激发光聚焦到样品20表面，并且收集、准直样品20发出的荧光到后叙的荧光光路100。

一宽波段偏振非敏感分束棱镜90，位于钕铁硼永磁体50的通孔51的一侧也就是位于荧光光路100和激发光光路110的交叉点，用于在与后叙的荧光光路100垂直的方向引入激发光光路110，在引入宽波段偏振非敏感分束棱镜90后，可以独立的调制激发光或荧光的偏振特性。

一荧光光路100，依次排列有第一宽波段四分之一波长波片102、第一宽波段线偏振片101、单色仪121和探测器122，该荧光光路与宽波段偏振非敏感分束棱镜在同一光路上，从样品20出发，经超长工作距离物镜80准直后，经过宽波段偏振非敏感分束棱镜90，经过单色仪121，到达探测器122，该荧光光路100上放置第一宽波段线偏振片101，用于对线偏振的荧光进行检偏，该荧光光路100上放置第一宽波段四分之一波长波片102，用于使通过的圆偏振荧光变为线偏振光。

一激发光光路110，与荧光光路100垂直，从外置激光器130出发，经过宽波段偏振非敏感分束棱镜90，由超长工作距离物镜80聚焦到样品20表面，该激发光光路110上放置第二宽波段线偏振片111，用于对激发光的线偏振性进行纯化，该激发光光路110上放置第二宽波段四分之一波长波片112，用于使通过的线偏振激发光变为圆偏振光。

其中激发光先通过第二宽波段线偏振片111纯化其线偏振特性，再通过第二宽波段四分之一波长波片112转化为左旋或右旋的圆偏振光，聚焦到样品20表面，在样品20中激发自旋极化的载流子。

其中样品20发出的左旋或右旋圆偏振荧光，先通过第一宽波段四分之一波长波片102转化为线偏振光，再通过第一宽波段线偏振片101进行检偏。

一单色仪121，位于荧光光路100的末端，用于色散样品20发出的荧光信号，该单色仪121对检偏后的两个荧光分量分别进行色散。

一探测器122，位于单色仪121的出光口，用于探测样品20发出的荧光信号，该探测器122对色散后的两个荧光分量分别进行测量。

一外置激光器130，位于激发光光路110的起点，用来激发样品20；

该外置激光器130可以是各种激光器，如氦氖激光器、离子激光器或掺钛蓝宝石激光器等，以满足不同实验目的对激发线的不同需求。

本套系统的核心部分是液氮杜瓦10和钕铁硼永磁体50。有别于普通杜瓦，本系统中的液氮杜瓦10设计了较长的紫铜冷指11；钕铁硼永磁体50的中心则设计了一个内径与液氮杜瓦10的铝套筒12外径匹配的通孔。需要给样品20施加外部磁场时，通过对一维电动平移台60的控制，使钕铁硼永磁体50向着液氮杜瓦10移动而“套在”其铝套筒12外侧，这样冷指上放置的样品20就处于钕铁硼永磁体50中心的强磁场环境中。而且，通过改变钕铁硼永磁体50和液氮杜瓦10的相对位置，可以控制样品20所感受到的磁场强度和磁场方向。样品20处的磁场强度最大可以超过1.3特斯拉，并且可以近似线性的改变到反方向的约0.7特斯拉。

本套系统的另一个特点是宽波段偏振非敏感分束棱镜90和独立外置可置换激光器130的引入。一般情况下，基于拉曼谱仪的光谱系统往往利用谱仪内置激光器激发样品，存在以下两个缺点：

1、激发线单一，往往只能提供一种波长的激发光；

2、激发光与荧光同光路，不能独立调制激发光和荧光的偏振特性。

而宽波段偏振非敏感分束棱镜90的使用，使可以通过外置激光器130，从与荧光光路垂直的方向引入激发光路，从而克服了以上两个缺点：通过置换外置激光器130，可以获得满足各种测量要求的激发线；可以在激发光路上(即激发光到达宽波段偏振非敏感分束棱镜90之前)对激发光施以各种必要的调制手段，而对荧光光路没有任何影响。

在样品20处于低温-强磁场的环境时，可以利用单色仪121及探测器122，测量外置激光器130照射下，样品20的光学响应，即光致荧光谱，或电学响应，如自旋滤波等效应；也可以在样品20受到数字源表40的电学激励时，测量其光学响应，如电致荧光谱，以研究自旋注入等问题。

作为一个实例，我们利用本系统测量了液氮温度下砷化镓量子阱的电致荧光光谱。首先调节手动五维调节平台30，确定超长工作距离物镜80的焦点对准样品20上的某个台面。然后用数字源表40在该台面和样品20背部的欧姆接触之间加一个驱动偏压，使样品20中n型区域的电子和p型区域的空穴漂移到位于n-p结中间的量子阱中，则电子和空穴将在量子阱中复合而发出荧光。从样品20发出的左旋和右旋荧光经过超长工作距离物镜80的收集和准直，经过第一宽波段四分之一波长波片102，成为偏振方向互相垂直的两个线偏振光分量，再经过第一宽波段线偏振片101检偏，一次只有一种光分量能够通过第一宽波段线偏振片101。最后，通过的荧光分量进入到单色仪121被其色散，由探测器122完成探测。得到的自旋分辨的电致荧光光谱如图2所示。

以上实例说明，这套强磁场和低温样品环境的自旋相关输运测量系统确实可以实现一个低温-强磁场的样品环境，从而可以测量到显著的自旋相关性质。并且，这套系统的实现和运行都是简便、低成本和无液氦依赖的，适合作为日常的自旋相关输运性质测量系统，在实验室中推广使用。

Claims (5)

1.一套强磁场环境和液氮温度下的自旋相关输运测量系统，该系统包括：

一液氮杜瓦，该液氮杜瓦底部一侧有一紫铜冷指，用于放置样品，使样品达到液氮温度，该冷指外部同轴地套有一铝套筒，用于保护冷指所处的真空环境，该套筒顶端开有一石英光学窗口，用于通过激发光和荧光；

一手动五维调节平台，放置液氮杜瓦，用于调节液氮杜瓦的空间位置；

一钕铁硼永磁体，开有一通孔，该钕铁硼永磁体的通孔同轴地套在液氮杜瓦的铝套筒外侧，用于提供测量的强磁场环境；

一电动一维平移台，位于钕铁硼永磁体下方，用于调节钕铁硼永磁体和液氮杜瓦的相对位置；

一手动一维升降台，位于电动一维平移台下方，用于支撑钕铁硼永磁体和电动一维平移台，以及调节钕铁硼永磁体和液氮杜瓦的相对位置；

一超长工作距离物镜，位于液氮杜瓦的光学窗口的正前方，用于聚焦激发光到样品、以及收集并准直样品发出的荧光；

一宽波段偏振非敏感分束棱镜，位于钕铁硼永磁体的通孔的一侧；

一荧光光路，从样品出射，并经过超长工作距离物镜准直到垂直于光学窗口的方向；

一激发光光路，与荧光光路正交于宽波段偏振非敏感分束棱镜。

2.根据权利要求1所述的强磁场环境和液氮温度下的自旋相关输运测量系统，其中在该荧光光路上依次排列有第一宽波段四分之一波长波片、第一宽波段线偏振片、单色仪和探测器，该荧光光路与宽波段偏振非敏感分束棱镜在同一光路上。

3.根据权利要求1所述的强磁场环境和液氮温度下的自旋相关输运测量系统，其中在该激发光光路上依次排列有外置激光器、第二宽波段线偏振片和第二宽波段四分之一波长波片。

4.根据权利要求1所述的强磁场环境和液氮温度下的自旋相关输运测量系统，其中还包括一数字源表，该数字源表与样品通过导线相连接，用于对样品施加驱动电压或电流，以及测量样品的响应。

5.根据权利要求1所述的强磁场环境和液氮温度下的自旋相关输运测量系统，其中外置激光器为任何激光器，以满足不同实验目的对激发线的不同需求。

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