CN102253323A

CN102253323A - 测量电子自旋相关输运的变温显微测量系统

Info

Publication number: CN102253323A
Application number: CN2011101592968A
Authority: CN
Inventors: 李韫慧; 章昊; 肖文波; 吴昊; 谭平恒
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2011-06-14
Filing date: 2011-06-14
Publication date: 2011-11-23

Abstract

一种测量电子自旋相关输运的变温显微测量系统，包括：一HeNe激光器；一格兰泰勒棱镜将HeNe激光器出射的激光变成线偏振光；一光弹调制器；一显微物镜用于将入射激光聚焦在样品台面上；一变温液氮杜瓦样品座包括一温度控制仪，一紫铜冷指，待测量样品固定在紫铜冷指顶端；一数字电压电流源表其控制端通过GPIB线与一计算机连接；一取样电阻用于将待测量样品的交流电压信号提取出来；一锁相放大器其控制端通过GPIB线与一计算机连接；一半反半透镜组位于主光路上；一白光光源用以观察待测量样品台面上的位置；一摄像机和显示器用来显示输出待测量样品台面成像以及激光光斑位置；一钕铁硼环形永磁体同轴套在变温液氮杜瓦样品座的紫铜冷指外部。

Description

测量电子自旋相关输运的变温显微测量系统

技术领域

本发明属于半导体电学性质测试技术和磁性材料磁学性质测试技术领域，特别涉及铁磁金属-半导体结构的自旋相关输运(包括从铁磁金属到半导体方向的自旋注入和从半导体到铁磁性金属方向的自旋滤波)性质的测量技术。

背景技术

现代信息技术利用电子的电荷自由度来进行信息处理，而用磁性材料的自旋自由度来存储信息。自旋电子学这个新兴的领域同时利用电子的这两个自由度来产生新的功能，这可能引起未来的信息技术的革新。铁磁金属-半导体结构间的自旋相关输运过程包括铁磁材料向半导体材料的自旋电子注入，以及半导体材料向铁磁材料的自旋电子检测。由铁磁金属向半导体注入自旋的方法包括两种；第一种方法是利用电学方法直接把铁磁性材料的极化电子注入到半导体中；第二种是利用光学方法在半导体中泵浦出极化电子。自旋滤波效应实验是利用铁磁材料在Fermi面附近上下自旋态密度的不同，来探测半导体中自旋向上和向下的极化电子：与铁磁金属自旋多子的自旋方向相同的电子可以通过铁磁材料；反之就会被铁磁材料阻挡住。通过测量不同极化电流的值，获得电子的自旋极化方向和自旋极化电流的大小。

有的小组(J.Appl.Phys，87，pp4670-4672，2000)研究了NiFe/GaAs间Schottky势垒在偏振光激发下的偏振光电流，研究结果显示铁磁薄膜的磁化强度方向和Schottky势垒高度决定了半导体和铁磁材料间自旋相关光电流。这一研究方法可以测量铁磁金属-半导体材料的自旋相关电子输运过程。然而，一方面，我们希望测量样品在不同磁场下的自旋相关输运性质，并且有足够大的外加磁场强度，从而使铁磁金属薄膜的磁化强度方向发生偏转；另一方面，由于温度上升会加速自旋偏振电子向非极化状态的弛豫过程，使自旋极化效应难于观测，因此，使样品处于低温环境有助于观测到自旋相关效应。现阶段通常采用液氦循环的样品腔和液氦制冷的超导线圈来获取低温和强磁场环境，然而，液氦的昂贵和获取困难给实验条件带来了很大的制约，因此我们希望通过不依赖于液氦的方法展开自旋输运实验研究。

为此，我们发明了一种可以改变磁场强度和环境温度的测量自旋相关输运性质的方法，采用光学方法在铁磁金属-半导体样品中产生自旋极化电子，通过测量不同磁场和温度下的偏振相关光生电压随直流偏压变化来实现，该方法经济简便，易于操作，能够给自旋相关输运性质的研究带来很大帮助。

发明内容

本发明的目的在于提供一种研究在不同磁场和不同温度下铁磁材料和半导体界面处自旋相关输运的系统。利用这套系统，可以改变磁场强度和样品温度，利用光学方法得到自旋极化电子，测量从铁磁材料向半导体注入自旋的自旋注入效应和半导体中极化电子向铁磁材料输运过程中的自旋滤波效应。

本发明提供一种测量电子自旋相关输运的变温显微测量系统，该系统包括：

一HeNe激光器，用来激发样品光生载流子；

一格兰泰勒棱镜，位于HeNe激光器的主光路上，将HeNe激光器出射的激光变成线偏振光；

一光弹调制器，将线偏振光调制为按50KHz周期调制的左右旋圆偏振光；

一显微物镜，该显微物镜位于主光路上，用于将入射激光聚焦在样品台面上；

一变温液氮杜瓦样品座，该变温液氮杜瓦样品座位于主光路上，该变温液氮杜瓦样品座包括一温度控制仪，一紫铜冷指，待测量样品固定在紫铜冷指顶端；

一数字电压电流源表，与变温液氮杜瓦样品座内的待测量样品连接，用于施加直流偏置电压，并同时读取样品回路的直流电流大小，其控制端通过GPIB线与一计算机连接；

一取样电阻，与变温液氮杜瓦样品座内的待测量样品回路连接，用于将待测量样品的交流电压信号提取出来；

一锁相放大器，该锁相放大器的信号输入端与取样电阻连接，用来测量样品的偏振相关交流电压信号，其触发输入端与光弹调制器连接，该锁相放大器的控制端通过GPIB线与一计算机连接；

一半反半透镜组，该半反半透镜组位于主光路上；

一白光光源，使出射的白光通过半反半透镜组照射在变温液氮杜瓦样品座内的样品台面上，用以观察和调节HeNe激光器光斑打在待测量样品台面上的位置；

一摄像机和显示器，用来显示输出待测量样品台面成像以及激光光斑位置；

一钕铁硼环形永磁体，开有一通孔，同轴套在变温液氮杜瓦样品座的紫铜冷指外部；该钕铁硼环形永磁体为水平移动，用于对待测量样品提供可变的外加磁场强度。

其中在HeNe激光器的主光路上还有两个平面反射镜。

其中该半反半透镜组，包括两个相互垂直的半反半透镜。

其中钕铁硼环形永磁体安装在一电动平移台上，使其与变温液氮杜瓦样品座的水平相对位置可精细调节，并且放置在一手动升降台上，用于调节钕铁硼环形永磁体的高度和轴线位置。

其中变温液氮杜瓦样品座包括一温度控制仪，将液氮注入杜瓦后，调节温度控制仪的变温速率和起止温度，从而测量不同温度下样品偏振相关光生电压随直流偏置电压的变化。

本发明利用显微光路和取样电阻测量方法搭建系统，使样品在偏振光照射下，通过控制不同外加磁场和温度，测量样品在不同直流偏压下的自旋极化电子的输运性质。由于提供了强磁场和低温环境，该系统可以更加准确地测量激光激发自旋极化电子的自旋注入和滤波过程，为研究铁磁金属-半导体结构以及其它材料的电子自旋输运特性提供了一种很好的研究手段。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明，其中：

图1是一套测量电子自旋相关输运的变温显微测量系统结构简图。

图2是利用测试系统所测试的Fe/Al₂O₃/(AlAs/GaAs)多量子阱结构样品在150K低温下，不同磁场下的直流光电流随直流偏置电压的变化。

图3是利用测试系统所测试的Fe/Al₂O₃/(AlAs/GaAs)多量子阱结构样品在150K低温下，不同磁场下的偏振相关光伏电压随直流偏置电压的变化。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明一种测量电子自旋相关输运的变温显微测量系统，该系统包括：

一HeNe激光器101，用来激发样品光生载流子；

一格兰泰勒棱镜102，位于HeNe激光器101的主光路上，将HeNe激光器101出射的激光变成线偏振光；

一光弹调制器103，将线偏振光调制为按50KHz周期调制的左右旋圆偏振光；

一显微物镜104，该显微物镜104位于主光路上，用于将入射激光聚焦在样品台面上；

一变温液氮杜瓦样品座112，该变温液氮杜瓦样品座112位于主光路上，该变温液氮杜瓦样品座112包括一温度控制仪，一紫铜冷指，待测量样品固定在紫铜冷指顶端；

一数字电压电流源表105，与变温液氮杜瓦样品座112内的待测量样品连接，用于施加直流偏置电压，并同时读取样品回路的直流电流大小，其控制端通过GPIB线与一计算机连接；

一取样电阻106，与变温液氮杜瓦样品座112内的待测量样品回路连接，用于将待测量样品的交流电压信号提取出来；

一锁相放大器107，该锁相放大器107的信号输入端与取样电阻106连接，用来测量样品的偏振相关交流电压信号，其触发输入端与光弹调制器103连接，该锁相放大器107的控制端通过GPIB线与一计算机连接；

一半反半透镜组109，该半反半透镜组109位于主光路上；

一白光光源108，使出射的白光通过半反半透镜组109照射在变温液氮杜瓦样品座112内的样品台面上，用以观察和调节HeNe激光器101光斑打在待测量样品台面上的位置；

一摄像机和显示器110，用来显示输出待测量样品台面成像以及激光光斑位置；

一钕铁硼环形永磁体111，开有一通孔，同轴套在变温液氮杜瓦样品座112的紫铜冷指外部；该钕铁硼环形永磁体111为水平移动，用于对待测量样品提供可变的外加磁场强度。

HeNe激光器101出射的激光波长为632.8nm，出射光功率为17mW，出射激光构成的光路平面与光学平台平行，该光路称为主光路。由于光学平台一般有长度和宽度限制，为了使光路符合光学平台的面积，在HeNe激光器101出射激光主光路上放置两个平面反射镜，平面反射镜的位置由光学平台的平面规格决定。HeNe激光器101出射的激光经过两个平面反射镜的反射后，垂直入射到格兰泰勒棱镜102，该格兰泰勒棱镜102作为起偏器，将入射的激光变成线偏振光。接下来激光垂直入射光弹调制器103，光弹调制器103的光轴与格兰泰勒棱镜102的光轴成45°夹角，根据光弹调制器原理，原来的线偏振光变成按50KHz周期调制的左旋和右旋交替变化的圆偏振光。此后为了使激光聚焦，在主光路上放置一显微物镜104，经过周期调制的左旋和右旋交替变化的圆偏振激光聚焦后照射在待测量样品的台面上，从而激发自旋极化电子，产生偏振相关光伏电压。

待测量样品固定在变温液氮杜瓦样品座112内部，该变温液氮杜瓦样品座112的紫铜冷指比普通杜瓦样品座的冷指长，这是为了与钕铁硼环形永磁体111的通孔相匹配，从而改变待测量样品所处位置的磁场强度。该紫铜冷指外部同轴地套有一铝套筒，用于保护紫铜冷指所处的真空环境。该铝套筒的顶端为一石英光学窗口，该光学窗口位于主光路的末端，用于通过主光路入射的激光和监控光路的白光。待测量样品固定在紫铜冷指顶端，其温度可以由杜瓦样品座连接的温度控制仪所控制。待测量样品引出的顶电极和底电极分别连接在杜瓦样品座的电极引线上，再通过接线盒与外部电路相连接，用于给待测量样品施加外加偏压和读取电流电压信号。

数字电压电流源表105的一端与待测量样品的顶电极相连接，控制数字电压电流源表105为电压输出模式，从而给待测量样品两端施加直流偏置电压，并且同时读取通过样品的直流电流大小。数字电压电流源表105的控制端由GPIB线与一计算机连接，通过计算机控制输出电压范围，并且记录样品回路上的直流电流的大小。取样电阻106与待测量样品的底电极相连接。将取样电阻串联在样品回路中，是为了提取待测量样品两端的交流电压信号。取样电阻106与待测量样品连接的一端同时与锁相放大器107的信号输入端连接，通过锁相放大器107测量样品中与偏振相关光伏电压信号的幅度大小。锁相放大器107的触发输入端与光弹调制器103的参考信号输出端相连接，触发信号的参考频率大小为50KHz。锁相放大器107通过GPIB线与一计算机相连接，用于在控制数字电压电流源表105的输出电压变化的同时，同步读取偏振相关光伏电压信号的大小。

待测量样品所处位置的外加磁场由环形钕铁硼永磁体111提供，该环形钕铁硼永磁体中央开有一通孔，可以同轴地套在变温液氮杜瓦样品座112的紫铜冷指及铝套筒外部，使待测量样品处于永磁体通孔内部的强磁场中。钕铁硼环形永磁体111安装在一电动平移台上，该电动平移台与计算机连接，通过平移台控制系统操控其水平位置，使钕铁硼环形永磁体111与变温液氮杜瓦样品座112的水平相对位置可精细调节。钕铁硼环形永磁体111与电动平移台均固定在一手动升降台上，通过调节手动升降台的位置和高度，使钕铁硼环形永磁体111中央的通孔与变温液氮杜瓦样品座112的紫铜冷指共轴，并且使待测量样品位于永磁体通孔的中心位置上。测量中保持变温液氮杜瓦样品座112固定，通过调节环形钕铁硼永磁体111的水平位置，达到控制待测量样品所处位置外加磁场强度的目的。

待测量样品固定在变温液氮杜瓦样品座112的紫铜冷指顶端，该变温液氮杜瓦样品座112连接温度控制仪，可调节样品座所处位置的环境温度。通过计算机控制数字电压电流源表105输出的直流偏置电压，并同时读取通过样品回路的电流，就可以测量不同磁场下的电子自旋相关输运过程。在反向电场的驱动下，铁磁金属中自旋极化电子向半导体中注入，即自旋注入过程；在正向电场的驱动下，半导体中光激发产生的自旋极化电子向铁磁层方向流动，受铁磁层中自旋极化态密度的影响，会滤除与其多数态密度方向相反的输运极化电子，即自旋滤波过程。通过外加磁场控制铁磁金属的磁化强度方向，就可以操控上述自旋注入和滤波的过程。

为了观察激光聚焦到样品上的位置，在光路中虚线框所示位置固定一半反半透镜组109，该半反半透镜组由两个相互垂直的半反半透镜组成。首先打开激光光源，粗调HeNe激光器101出射激光的光斑位置，使其入射到变温液氮杜瓦样品座112的石英光学窗口内，并入射到待测量样品台面上。然后从主光路的侧面引入白光光源108，该白光光源光路与主光路处于同一水平面上，并大致与主光路的激光垂直。白光光源出射的白光经过半反半透镜组109中的一个半反半透镜的反射，与激光平行入射到样品座的石英光学窗口并打到待测量样品台面上，样品台面的反射光通过半反半透镜组中的另一个半反半透镜的反射，进入摄像机和显示器110，其中摄像机用于采集光学信号，并与显示器连接，经过放大显微的样品台面成像通过显示器显示出来，从而可以清楚地观察到激光打到待测量样品表面的位置。变温液氮杜瓦样品座112放置在五维手动调节平台上，可以调控待测量样品台面的水平位置、垂直位置和俯仰角度。观察显示器上的成像，微调样品座的水平位置，使待测量样品台面位于显微物镜104的焦平面上，并且微调样品座的俯仰角度，使激发光垂直入射在待测量样品台面上。此时显示器成像最为清晰。微调样品座的垂直位置，使入射激光经过显微物镜104聚焦后，垂直入射在有效的待测量样品台面位置上。随后将半反半透镜组从光路上撤走，关闭白光光源，继续进行测量。

在进行自旋输运实验前，利用高斯计标定环形钕铁硼永磁体111通孔内部的磁场强度，具体方法是：将一高斯计的探头水平固定，使探头平行于永磁体中心轴，并位于永磁体通孔的圆心上，从而测量永磁体中心轴上的磁感应强度。控制电动平移台使磁体在水平轴上移动，记录高斯计探头测量到的磁体中心轴上的磁感应强度随水平位置的变化。一般来说，在磁体通孔内部，中心轴上的磁感应强度接近于高斯函数分布且恒大于零，沿中心轴延长到磁体外部一定距离处出现磁场零点，随后磁感应强度方向改变，在出现反方向峰值后逐渐趋近于零。磁场标定完毕后，通过手动升降台调节环形钕铁硼永磁体111的空间位置，使其通孔与变温液氮杜瓦样品座112的紫铜冷指共轴，并且可以同轴套在紫铜冷指与铝套筒外侧，从而使样品座上放置的待测量样品可以处于磁体通孔中心的强磁场环境中。

在进行自旋输运实验测量前，将变温液氮杜瓦样品座112的腔体内注满液氮，打开杜瓦样品座连接的温度控制仪，设定温度变化速率以及起止温度，可以调节样品座紫铜冷指位置的温度，其有效温度变化范围为77K-300K。经过一段时间的降温(或升温)后，样品所处位置的温度达到终止温度，温度控制仪变温过程结束，进入恒温状态。在恒温状态下的温度浮动范围约为±5K。观察温度控制仪显示的实际温度，使样品达到所需要的温度后，就可以开始电子自旋相关输运测量实验。

作为一个实例，我们利用该系统测量了一结构为Fe/Al2O3/(AlAs/GaAs)多量子阱结构样品在低温下的光电性质，待测量样品温度设定为150K，测试结果如图2和图3所示。图2是将样品置于垂直样品表面的外加磁场中，改变磁场强度大小，测量样品的直流光电流响应随外加偏压的变化。可以看到，不同磁场下测量的电流-电压特性曲线重合，说明样品的光生电流特性曲线不随外加磁场的变化而变化，这符合光电流响应只与样品结构有关，而与外加磁场强度大小无关的物理特性。偏振相关光伏电压在不同磁场下的测量结果如图3所示，从图中可以看到，在不同的外加磁场强度下，对于相同的直流偏置电压而言，偏振相关光伏电压随磁场强度的增大而增大。这是由于磁场强度增大后，铁磁层的磁化强度方向逐渐向垂直于样品表面的方向旋转，而经过周期调制的左右旋圆偏振光激发样品中的自旋极化电子的自旋方向也是垂直于样品表面的；由锁相放大器读出的偏振相关光伏电压的大小，是由铁磁层中不同自旋态电子的态密度之差引起的；因此，当磁场强度增大时，铁磁层的磁化强度方向逐渐垂直于样品表面，导致自旋向上与自旋向下的电子引起的光伏电压之差增大，从而使偏振相关光伏电压增大。从图中可以看出，无论是在正向偏置电压还是反向偏置电压下，偏振相关光伏电压都随磁场强度的增大而增大。反向偏压下为自旋注入效应，正向偏压下为自旋滤波效应。利用此方法观察到了明显的电子自旋相关输运过程。

以上实例说明，利用这套系统可以测量到显著的自旋相关电子输运特性。使用该系统测量时的可变变量有外加直流偏置电压、外加磁场强度和样品的环境温度。该系统的实现具有操作简便、节省空间、低成本的特点。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种测量电子自旋相关输运的变温显微测量系统，该系统包括：

一HeNe激光器，用来激发样品光生载流子；

一半反半透镜组，该半反半透镜组位于主光路上；

2.根据权利要求1所述的测量电子自旋相关输运的变温显微测量系统，其中在HeNe激光器的主光路上还有两个平面反射镜。

3.根据权利要求1所述的测量电子自旋相关输运的变温显微测量系统，其中该半反半透镜组，包括两个相互垂直的半反半透镜。

4.根据权利要求1所述的测量电子自旋相关输运的变温显微测量系统，其中钕铁硼环形永磁体安装在一电动平移台上，使其与变温液氮杜瓦样品座的水平相对位置可精细调节，并且放置在一手动升降台上，用于调节钕铁硼环形永磁体的高度和轴线位置。

5.根据权利要求1所述的测量电子自旋相关输运的变温显微测量系统，其中变温液氮杜瓦样品座包括一温度控制仪，将液氮注入杜瓦后，调节温度控制仪的变温速率和起止温度，从而测量不同温度下样品偏振相关光生电压随直流偏置电压的变化。