CN102023141A - 具有灵活测量几何的变温显微磁光电测试系统 - Google Patents

Abstract

一套具有灵活测量几何的变温显微磁光电测试系统，包括：一掺钛蓝宝石激光器，在其出射光路上依次排列有斩波器、宽波段线偏振片、光弹调制器、第一宽带消偏振分光棱镜、第二宽带消偏振分光棱镜、第一物镜和液氮杜瓦；该第二宽带消偏振分光棱镜的折射光路上还包括一摄像头及与其连接的显示器，在摄像头之后的光路上有一第二物镜，在第二物镜之后通过光纤连接有一单色仪及其配套的探测器；斩波器与一控制器连接；光弹调制器与一控制器连接；第一宽带消偏振分光棱镜的折射光路上还包括一照明光源及探测器；第二宽带消偏振分光棱镜的折射光路上还包扩一摄像头及与其连接的显示器；一钕铁硼永磁体，同轴但不接触地套在液氮杜瓦的前端；还包括一直流电流源，其两个输出端口通过导线与样品连接。

Description

具有灵活测量几何的变温显微磁光电测试系统

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、稀磁半导体等)的自旋相关能带结构、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：对如镓锰砷一类的所谓稀磁半导体，由于塞曼效应的存在，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；对如铁/镓砷一类的铁磁金属/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。

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。进一步的，如果能在测量过程中精确控制样品的温度，则可以监测在不同的温度下，样品中各种弛豫机制竞争与协作的变化。

另一方面，新兴的自旋电子学又是一门集合了磁学、电子学、光学等学科的交叉学科，其复杂性要求我们能够用多种实验手段对其进行探索。

所以，如果能够搭建一套可以在样品处施加可变磁场、可以使样品降到低温并改变样品温度的实验系统，并且将比如磁圆二象性效应测量、荧光光谱测试、光电导响应测试等常用的实验配置集成到该套系统中，无疑将对自旋电子学的研究带来明显的益处。

发明内容

本发明的目的在于提供一套能够在单一测量系统中实现多种实验配置的、可控制样品温度和样品处磁场的、显微磁光电测试系统。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；还可以测量样品在光学激励下的光学响应，如自旋分辨的光致荧光、磁圆二象性效应等。并且，通过加热电阻控制样品的温度，通过改变钕铁硼永磁体和样品的相对位置改变样品感受到的磁场强度和方向。

本发明提供一套具有灵活测量几何的变温显微磁光电测试系统，该系统包括：

一掺钛蓝宝石激光器，用于激发样品，在该掺钛蓝宝石激光器的出射光路上依次排列有斩波器、用于纯化激发光的线偏振特性的宽波段线偏振片、光弹调制器、第一宽带消偏振分光棱镜、第二宽带消偏振分光棱镜、第一物镜和液氮杜瓦，该液氮杜瓦用于放置样品；

其中该斩波器与一控制器连接，用于对激发光进行光强调制；

该光弹调制器与一控制器连接，用于对激发光进行偏振调制；

该第一宽带消偏振分光棱镜的折射光路上还包括一照明光源及探测器，该白光光源用于照明样品，该探测器用于探测样品的反射光；

该第二宽带消偏振分光棱镜的折射光路上还包扩一摄像头及与其连接的显示器，在摄像头之后的光路上有一第二物镜，在第二物镜之后通过光纤还连接有一单色仪及其配套的探测器，该第二物镜用于聚焦样品的荧光到光纤的纤芯，该光纤用于传输样品的荧光信号到单色仪，该单色仪及其配套探测器用于色散及探测样品的荧光信号；

该摄像头及与其连接的显示器用于接受样品反射的白光，以观察样品；

该第一物镜用于将掺钛蓝宝石激光器的激发光或白光光源的照明光聚焦到样品上，以及收集并准直样品的反射光或荧光；

该钕铁硼永磁体，同轴但不接触地套在液氮杜瓦的前端，用于在样品处提供磁场，该钕铁硼永磁体具有一轴向通孔；

其中还包括一直流电流源，其两个输出端口通过导线与样品连接，用于给样品施加驱动电压；

一第一锁相放大器和第二锁相放大器，该第一锁相放大器和第二锁相放大器的输入端口分别通过导线与样品连接；

该第一锁相放大器的参考频率端口连接光弹调制器控制器的频率输出，用于读取样品对偏振调制的响应；

该第二锁相放大器的参考频率端口连接斩波器控制器的频率输出，用于读取样品对光强调制的响应。

其中掺钛蓝宝石激光器的出射光波长，在700-1030纳米的范围内可调。

其中宽波段线偏振片在600-1200纳米的波长范围内，消光比达到100000∶1。

其中第一宽带消偏振分光棱镜和第二宽带消偏振分光棱镜，在700-1000纳米的波长范围内，对入射光中的S分量和P分量透射率相同。

其中探测器采用硅芯片，工作在200-950纳米的波长范围。

其中第二物镜和光纤的数值孔径匹配。

其中液氮杜瓦的冷指伸入于钕铁硼永磁体的通孔中。

其中钕铁硼永磁体通孔中的磁场沿轴向，并从轴向中心向端面近线性变化。

本发明具有灵活测量几何的变温显微磁光电测试系统的有益效果是：它提供了样品处可控制的磁场环境和可控制的样品温度，可以实现光致荧光、电致荧光、反射光和磁光电响应等多种测量几何。本系统可用于测量多种材料，比如铁磁金属/半导体结构的各种自旋相关输运性质，如自旋滤波效应、自旋注入，也可用于对稀磁半导体材料的能带结构分析。

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是本发明测试系统的结构示意图。

图2是本发明的荧光测量配置的一个测量实例所得到的荧光光谱图。

具体实施方式

本发明为一套具有灵活测量几何的变温显微磁光电测试系统。

首先详细介绍本系统的构成，请参阅图1所示，该系统包括：

一掺钛蓝宝石激光器110，用于激发样品220，在该掺钛蓝宝石激光器110的出射光路上依次排列有斩波器121、宽波段线偏振片130、光弹调制器131、第一宽带消偏振分光棱镜141、第二宽带消偏振分光棱镜142、第一物镜230和液氮杜瓦210。

掺钛蓝宝石激光器110的出射光波长，在700-1030纳米的范围内可调，从而可以研究样品220中不同能量的载流子的各种行为。

斩波器121与一控制器122连接，用于对激发光进行光强调制；

其中该斩波器121通过更换斩波片，可以以100到30000Hz的频率进行斩波，以提供给锁相放大器262所需要的参考频率。

宽波段线偏振片130在600-1200纳米的波长范围内，消光比达到100000∶1，用于纯化激发光的线偏振特性。

光弹调制器131与一控制器132连接，用于对激发光进行偏振调制；

其中该光弹调制器131在工作时可以视为一块宽波段的四分之一波长波片，并以50000Hz的频率将该宽波段四分之一波长波片的光轴在0度和90度之间来回旋转，从而使出射光在σ+和σ-两种圆偏振光之间以50000Hz的频率交替变化。

第一宽带消偏振分光棱镜141的折射光路上还包括一照明光源150及探测器160；

该白光光源150用于照明样品220；

该探测器160用于探测样品220的反射光；

其中该探测器160采用硅芯片，可工作在200-950纳米的波长范围。

第二宽带消偏振分光棱镜142的折射光路上还包扩一摄像头171及与其连接的显示器172，在摄像头171之后的光路上有一第二物镜180，在第二物镜180之后通过光纤190还连接有一单色仪201及其配套的探测器202；

该摄像头171及与其连接的显示器172用于接受样品反射的白光，以观察样品220；

该第二物镜180用于聚焦样品220的荧光到光纤190的纤芯；

该光纤190用于传输样品220的荧光信号到单色仪201；

其中第二物镜180和光纤190的数值孔径匹配，以确保可以获得高的耦合效率；

该单色仪201及其配套探测器202用于色散及探测样品220的荧光信号；

其中该第一宽带消偏振分光棱镜141和第二宽带消偏振分光棱镜142，在700-1000纳米的波长范围内，对入射光中的S分量和P分量透射率相同，即在该波长范围内，这两个宽带消偏振分光棱镜是保偏的。

第一物镜230用于将掺钛蓝宝石激光器110的激发光或白光光源150的照明光聚焦到样品220上，以及收集并准直样品220的反射光或荧光。

液氮杜瓦210用于放置样品220，以及使样品220降温到液氮温度。

钕铁硼永磁体240，同轴但不接触地套在液氮杜瓦210的前端，用于在样品220处提供磁场，该钕铁硼永磁体240具有一轴向通孔；

其中该钕铁硼永磁体240通孔中的磁场沿轴向，并从轴向中心向端面近线性变化。

本系统还包括一直流电流源250，其两个输出端口通过导线与样品220连接，用于给样品220施加驱动电压。

以及一第一锁相放大器261和第二锁相放大器262，该第一锁相放大器261和第二锁相放大器262的输入端口分别通过导线与样品220连接；

该第一锁相放大器261的参考频率端口连接光弹调制器控制器132的频率输出，用于读取样品220对偏振调制的响应；

该第二锁相放大器262的参考频率端口连接斩波器控制器122的频率输出，用于读取样品220对光强调制的响应。

本系统的一个特点是第一宽带消偏振分光棱镜141和第二宽带消偏振分光棱镜142的引入：

如不引入第一宽带消偏振分光棱镜141和第二宽带消偏振分光棱镜142，则可直接将由斩波器121进行光强调制、由光弹调制器131进行偏振调制的掺钛蓝宝石激光器110出射激光由第一物镜230聚焦到样品220上，再由直流电流源250对样品220施加偏压，这样可以由两个锁相放大器261和262测量样品220的磁光电导。

引入第一宽带消偏振分光棱镜141，则使从样品220反射回来的反射光可以偏折到与掺钛蓝宝石激光器110的激发光垂直的方向，从而可以由探测器160进行反射光的探测，这样可以得到样品220对激发光吸收情况的信息。

引入第二宽带消偏振分光棱镜142，则使样品220在掺钛蓝宝石激光器110光学激励或直流电流源250电学激励下发出的荧光可以偏折到与掺钛蓝宝石激光器110的激发光垂直的方向，从而可以由第二物镜180聚焦耦合进光纤190，传输到单色仪201及其配套探测器202，进行色散和探测，这可以测量样品220在不同激励条件下的荧光光谱。

而当第一宽带消偏振分光棱镜141和第二宽带消偏振分光棱镜142都在掺钛蓝宝石激光器110的激发光光路上时，则可以由第一宽带消偏振分光棱镜141将白光光源150的照明光偏折到激发光光路，再由第二宽带消偏振分光棱镜142将样品220反射回来的光偏折到摄像头171的感光区域，这样可以在屏幕172上看到样品220，从而监视激发光在样品220表面的聚焦情况。

测量荧光是本套系统的一种配置，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光致荧光光谱。首先利用白光照明光源160照明样品220，并用摄像头171及与其连接的屏幕172观察样品，确定第一物镜230将掺钛蓝宝石激光器110的出射激光正确聚焦在样品220上。之后移走第一宽带消偏振分光棱镜141和摄像头171，此时样品220发出的荧光经过第二宽带消偏振分光棱镜142的偏折和第二物镜180的聚焦，进入光纤190，再由光纤190传输进入单色仪201，被单色仪201色散，最后由探测器202接收探测，便得到样品220的荧光光谱。所得结果请参考图二中标记为“0伏”的曲线。

作为进一步的说明，用直流电流源250在样品220上施加了一个偏压，这将改变样品220的能带结构，从而改变荧光光谱的峰位和峰值。这个结果请参考图2中标记为“+1V”和“-1V”的曲线。

虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求范围所界定的为准。

Claims (8)

1.一套具有灵活测量几何的变温显微磁光电测试系统，该系统包括：

一掺钛蓝宝石激光器，用于激发样品，在该掺钛蓝宝石激光器的出射光路上依次排列有斩波器、用于纯化激发光的线偏振特性的宽波段线偏振片、光弹调制器、第一宽带消偏振分光棱镜、第二宽带消偏振分光棱镜、第一物镜和液氮杜瓦，该液氮杜瓦用于放置样品；

其中该斩波器与一控制器连接，用于对激发光进行光强调制；

该光弹调制器与一控制器连接，用于对激发光进行偏振调制；

该第一宽带消偏振分光棱镜的折射光路上还包括一照明光源及探测器，该白光光源用于照明样品，该探测器用于探测样品的反射光；

该第二宽带消偏振分光棱镜的折射光路上还包扩一摄像头及与其连接的显示器，在摄像头之后的光路上有一第二物镜，在第二物镜之后通过光纤还连接有一单色仪及其配套的探测器，该第二物镜用于聚焦样品的荧光到光纤的纤芯，该光纤用于传输样品的荧光信号到单色仪，该单色仪及其配套探测器用于色散及探测样品的荧光信号；

该摄像头及与其连接的显示器用于接受样品反射的白光，以观察样品；

该第一物镜用于将掺钛蓝宝石激光器的激发光或白光光源的照明光聚焦到样品上，以及收集并准直样品的反射光或荧光；

该钕铁硼永磁体，同轴但不接触地套在液氮杜瓦的前端，用于在样品处提供磁场，该钕铁硼永磁体具有一轴向通孔；

其中还包括一直流电流源，其两个输出端口通过导线与样品连接，用于给样品施加驱动电压；

一第一锁相放大器和第二锁相放大器，该第一锁相放大器和第二锁相放大器的输入端口分别通过导线与样品连接；

该第一锁相放大器的参考频率端口连接光弹调制器控制器的频率输出，用于读取样品对偏振调制的响应；

该第二锁相放大器的参考频率端口连接斩波器控制器的频率输出，用于读取样品对光强调制的响应。

2.根据权利要求1所述的具有灵活测量几何的变温显微磁光电测试系统，其中掺钛蓝宝石激光器的出射光波长，在700-1030纳米的范围内可调。

3.根据权利要求1所述的具有灵活测量几何的变温显微磁光电测试系统，其中宽波段线偏振片在600-1200纳米的波长范围内，消光比达到100000∶1。

4.根据权利要求1所述的具有灵活测量几何的变温显微磁光电测试系统，其中第一宽带消偏振分光棱镜和第二宽带消偏振分光棱镜，在700-1000纳米的波长范围内，对入射光中的S分量和P分量透射率相同。

5.根据权利要求1所述的具有灵活测量几何的变温显微磁光电测试系统，其中探测器采用硅芯片，工作在200-950纳米的波长范围。

6.根据权利要求1所述的具有灵活测量几何的变温显微磁光电测试系统，其中第二物镜和光纤的数值孔径匹配。

7.根据权利要求1所述的具有灵活测量几何的变温显微磁光电测试系统，其中液氮杜瓦的冷指伸入于钕铁硼永磁体的通孔中。

8.根据权利要求1或7所述的具有灵活测量几何的变温显微磁光电测试系统，其中钕铁硼永磁体通孔中的磁场沿轴向，并从轴向中心向端面近线性变化。