CN103022343A

CN103022343A - 一种表面等离子体天线耦合增强的自旋整流器件

Info

Publication number: CN103022343A
Application number: CN2012104879381A
Authority: CN
Inventors: 安正华; 席付春; 周磊
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2012-11-27
Filing date: 2012-11-27
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2032-11-27
Also published as: CN103022343B

Abstract

本发明属于自旋电子技术领域，具体为一种基于表面等离子体的自旋整流器件。该自旋整流器件结构包括：附在绝缘衬底上的金属结构，该金属结构包括两个背靠背的类似C字形结构组成，背靠背部形成金属条。两个类似C字形结构共有4个末端。当具有合适频率的入射光垂直或倾斜于金属结构所在的平面照射到金属结构上时，入射光与表面等离子体结构发生共振，此时在金属条周围产生增强的磁场，在4个末端所围的区域及邻近的上下两侧产生增强的电场。增强的电场主要是平行于金属条的；增强的磁场是环绕金属条的，而且离金属条越近磁场越强。因此在4个末端所围的区域及邻近的上下两侧，可以得到增强的电场和磁场。此增强的电磁场和外加恒定磁场H的共同作用下，在磁性薄膜（112）上得到增强的自旋整流效应。

Description

一种表面等离子体天线耦合增强的自旋整流器件

技术领域

本发明属于自旋电子技术领域，具体涉及一种基于表面等离子体的自旋整流器件。

背景技术

基于金属铁磁性物质磁阻各向异性的自旋整流效应有着巨大的潜在应用价值，例如自旋发动机（如文献 1）、铁磁共振探测器（如文献 2）、磁场矢量探测器（如文献 3）和介电常数测量仪（如文献 4）等等。以上实例都运用了自旋整流产生直流光电压的效应，该光电压的大小正比于磁阻各向异性的大小和微波磁场、电场分量的乘积。由于光电压的信号较弱（一般为微伏量级），给探测带来不便，故增强光电压会有利于自旋整流效应的应用。磁阻各向异性由铁磁物质的性质决定，因此从增强微波电、磁场入手来增强自旋整流光电压是方便的。以往常用共面波导来增强微波的场分量，然而由于共面波导的场分布的性质，只能利用其增强的磁场分量，而且在实际操作方面也比较麻烦，例如微波需用导线直接导入、阻抗需要匹配等问题。

应用表面等离子体效应，用于电磁场的增强有着深远的实际意义。研究者们设计出许多种新颖的金属结构，用来在近场区域增强电磁场的电场或磁场分量, 例如bowtie天线（如文献 5）和diabolo天线（如文献 6）。bowtie天线用来增强局域电场分量，而diabolo天线用来增强局域磁场分量。但没有电磁场分量同时增强的相关研究。然而在有些实际应用中是需要电磁场的同时增强，例如以上描述的利用自旋整流效应产生直流光电压（如文献 7）。为了使电磁场的两分量在同一金属结构的同一区域达到增强的目的，本发明设计了一种金属等离子体结构，在结构的同一区域实现了电场数十倍和磁场上百倍的增强效果。此增强的电磁场应用于微波自旋整流光电压，可使光电压增强数千倍。

参考文献：

[1]. Y. S. Gui, N. Mecking, X. Zhou et al., "Realization of a Room-Temperature Spin Dynamo: The Spin Rectification Effect," Physical Review Letters 98 (10), 107602 (2007).

[2]. Y. S. Gui, N. Mecking, A. Wirthmann et al., "Electrical detection of the ferromagnetic resonance: Spin-rectification versus bolometric effect," APPLIED PHYSICS LETTERS 91 (082503) (2007).

[3]. L. H. Bai, Y. S. Gui, A. Wirthmann et al., "The rf magnetic-field vector detector based on the spin rectification effect," APPLIED PHYSICS LETTERS 92 (032504) (2008).

[4]. Z. X. Cao, M. Harder, B. Zhang et al., "Nondestructive 2D phase imaging of embedded defect via on-chip spintronic sensor," (2011).

[5]. P. J. Schuck, D. P. Fromm, A. Sundaramurthy et al., "Improving the Mismatch between Light and Nanoscale Objects with Gold Bowtie Nanoantennas," Physical Review Letters 94 (1), 017402 (2005).

[6]. T. Grosjean, M. Mivelle, F. I. Baida et al., "Diabolo Nanoantenna for Enhancing and Confining the Magnetic Optical Field," Nano Letters 11, 1009-1013 (2011).

[7]. M. Harder, Z. X. Cao, Y. S. Gui et al., "Analysis of the line shape of electrically detected ferromagnetic resonance," Physical Review B 84 (5), 054423 (2011).

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、操作方便、频率可调和增强效果好的测量信号增强的自旋整流器件。

本发明提供的自旋整流器件，首先根据入射光的频率，选择合适的绝缘衬底，进而确定金属结构的各个参数。利用传统的加工手段，可以很方便的制备出本发明所描述的原件。

其包括：

表面等离子体结构（如图1（b）），由两个类似C字形结构108和109背靠背组成的金属结构102附着在绝缘衬底100上组成，该金属结构的尺寸为亚波长量级。两个类似C字形金属结构108和109背靠背的部分为金属条103；两个类似C字形金属结构的4个端部围成一个区域099；类似C字形结构108具有端部104和端部105，类似C字形结构109具有端部106和端部107；

隔离层111，位于区域099上方，起到隔离金属结构102和金属铁磁性薄膜112的作用；（隔离层111只起隔离作用，不影响隔离作用的情况下它的大小可以是任意的；如果铁磁性薄膜112不放在金属条103上方的话，就用不着隔离层111了）

金属铁磁性薄膜112，设置于金属条103中间部位正上方，但不限于此位置（例如还可设置于类似C字形结构108的端部104和端部105，或者设置于类似C字形结构109端部106和端部107之间，这情况下可以不用隔离层111。

当合适频率的入射光101照到表面等离子体结构上，与其发生共振，从而在方形区域099及近邻的上下两侧区域获得增强的电磁场，在此电磁场和外加恒定磁场H的共同作用下，金属铁磁性薄膜112的两端即得到增强的自旋整流效应（包括自旋整流光电压、光电阻等）。

本发明中，所述的金属结构102中，两个类似C字形结构108和109，其C字形可以是多种多样的，例如：图1所示的直角转弯，再尖角向内转弯的形式；可以是圆弧过渡，再向内转弯的行式，如图2中（a）、（b）所示；也可以是类似C字形端部两两相连的形式，如图2中（c）所示；等等。

本发明中，类似C字形结构的两端形成开口角110最佳为90度，但可以在0—180度内任意选取。

本发明中，所述的金属结构102是由Au、Ag或Cu等对入射光101吸收很弱的金属材料构成，其厚度一般为100—1000纳米。

本发明中，所述的金属结构102的特征尺寸由入射光101和绝缘衬底100决定。它们大致符合f≈103.2/nL，f为表面等离子体结构的共振频率单位为GHz，n为绝缘衬底100的折射率，L为金属结构102的特征长度（以图1为例，L为金属结构对角线的长度）单位为mm。由于实际结构的复杂性，上述关系仅为近似，实际中的结构大小还需要用模拟预先确定或由实验测量来确定结构的共振频率。

本发明中，对入射光101来说，所述的绝缘衬底100是透明的为最佳，但不限于透明绝缘材料。绝缘衬底100的厚度根据实际需要决定，一般为0.5—5mm。

本发明中，所述的隔离层由绝缘材料构成，其厚度由电和磁分量的乘积决定（乘积最大为佳，但可根据实际情况具体决定），一般为20—150微米范围。

本发明中，所述的金属铁磁性薄膜，其长度通常要远大于宽度，宽度远大于厚度，厚度为50纳米（一般在30—100纳米范围即可）。而且该薄膜要是导电的，并具有各向异性磁电阻。该金属铁磁性薄膜可以置于图示位置，也可以置于表面等离子体结构的其他位置（例如端部104和105或106和107之间，这种情况下就没必要用隔离层111了）。

本发明中，所述的入射光101为线偏振、圆偏振或椭圆偏振等均可，但以线偏振且偏振方向沿金属条103为最佳。

本发明的原理如下：

入射光垂直或倾斜地照到器件上并与表面等离子体结构发生共振，在每个C字形金属结构的开口处及邻近的区域会得到增强的电场，电场的方向主要是平行于两C字形结构相交的金属条。此增强的电场随着距开口处的距离的增大而减小。两C字形结构里流动的电流被限制到它们相交的金属条这条通道，从而在两C字形结构相交的金属条周围得到环绕它的增强的磁场。该磁场随着距金属条的距离的增加而减小。显然，在两C字形结构的四个末端所围的区域及邻近的上下两侧区域有着增强的电场和磁场。此增强的电磁场和外加恒定磁场一起作用在置于其中的金属铁磁薄膜上，从而在金属铁磁薄膜的两端得到增强的自旋整流信号。

附图说明

图1为本发明所涉及的结构图示。其中，(a)为该发明所涉及的器件的一种。铁磁薄膜112和金属结构102被绝缘隔离层111隔离开，H为外加恒定磁场。当入射光101照到金属结构102上并发生共振时，通过适当调节H的大小可在铁磁薄膜112的两端得到增强的自旋整流效应。(b)为对应的表面等离子体结构，金属结构102附着在绝缘衬底100上。金属结构102包括两个背靠背的类似C字形结构108和109，类似C字形结构108和109的相交部分形成金属条103，金属条103提供了电流的狭窄通道。类似C字形结构的开口角110为90度。当入射光照到金属结构上并发生共振时，在两个类似C字形结构的四个末端所围的区域099及邻近的上下两侧区域产生增强的电场，在金属条103周围产生环绕它的增强的磁场。从而在四个末端所围的区域099及邻近的上下两侧区域产生增强的电磁场。

图2列举了几种其它的表面等离子体结构。这些结构都可以用来制作本发明所涉及的器件。

图3为一个平面内在共振情况下的电磁场分布。此平面平行于金属结构102和绝缘衬底100的交界面，而且此两面之间的距离为60微米，颜色代表与入射光相比的增强倍数。其中，(a)为该面内的电场分布，可看到在中心区域电场有几十倍的增强，(b)为该面内的磁场分布，可看到在金属条103附近磁场有上百倍的增强。该数据是通过对表面等离子体结构的模拟得到的。

图4为铁磁薄膜的各向异性磁电阻效应。I代表入射光的电场在铁磁薄膜内诱导出的光电流，H为外加的使铁磁薄膜饱和磁化的恒定磁场，其与电流的夹角为θ，饱和磁化强度为M。当入射光垂直于H的磁场分量作用到M上时，可使得M绕H进动。沿I方向的电阻会随着θ的增大而减小即R=R₀+R_Acos²θ；也就是说I方向的电阻在M进动到位置A时较小，进动到位置B时较大。

图5为直流光电压（PV）的分布。此PV是直接用图3中的电磁场数据计算得到的，显然在中心区域可获得放大数千倍的光电压。

具体实施方式

下面结合附图进一步描述本发明，此实例并不构成对本发明权利要求的限制。

图1(a)是一种自旋整流器件，具体是在金属结构102上方的中心区域放置一30—100纳米厚的铁磁性金属薄膜条112，薄膜条112平面平行于金属结构102所在平面，其长度沿着金属条103方向。金属结构102和铁磁性薄膜条112之间用一层60微米厚的绝缘隔离层111隔开。沿金属条103方向偏振的入射波101垂直照射到金属结构102上并发生共振，此时在铁磁性金属薄膜条112所在区域产生了增强的电磁场（如图3所示），电场主要是沿着金属条103方向的，磁场主要是在薄膜条112面内垂直于金属条103的。调节外加恒定磁场H的大小，使得薄膜条112内磁矩的本征进动频率与入射波101的频率吻合，此时在薄膜条112的两端就会产生放大数千倍的直流光电压（PV），PV是正比于薄膜条112处电磁场分量的乘积的，即PV∝e×h。至于为什么用交流的入射波101照射会产生直流的光电压（PV）呢？直观上可以这样理解：如图4，沿薄膜条112方向的电场分量在薄膜条112上诱导的光电流为I₀cos(ωt)，垂直于薄膜条112的磁场分量促使薄膜条112内的磁矩M绕恒定外磁场H进动。当光电流在朝右的方向达到最大即为I₀时，M进动到B点的位置，此时刻薄膜条112两端的电压为V=I₀×[R₀+ R_Acos²(α₀-α₁)]，当光电流在朝左的方向达到最大即为-I₀时，M进动到A点的位置，此时刻薄膜条112两端的电压为V=-I₀×[R₀+ R_Acos²(α₀+α₁)]；如此反复，平均来说薄膜条112两端可得到一直流的光电压PV= I₀R_Asin(2α₁) sin(2α₀)。由于I₀∝e和α₁∝h，所以PV∝e×h。

Claims

1. 一种表面等离子体天线耦合增强的自旋整流器件，其特征在于包括：

表面等离子体结构，该表面等离子体结构由两个类似C字形结构（108和109）背靠背组成的金属结构（102）附着在绝缘衬底（100）上组成，该金属结构的尺寸为亚波长量级；两个类似C字形金属结构（108和109）背靠背的部分为金属条（103）；两个类似C字形金属结构的4个端部围成一个区域099；类似C字形结构（108）具有端部（104）和端部（105），类似C字形结构（109）具有端部（106）和端部（107）；

隔离层（111），该隔离层（111）位于区域（099）上方，起到隔离金属结构（102）和金属铁磁性薄膜（112）的作用；

金属铁磁性薄膜（112），该金属铁磁性薄膜（112）设置于金属条（103）中间部位正上方，或者设置于类似C字形结构（108）的端部（104）和端部（105），或者设置于类似C字形结构（109）端部（106）和端部（107）之间，后两者情况下可不用隔离层（111）；

当合适频率的入射光（101）照到表面等离子体结构上，与其发生共振，从而在方形区域（099）及近邻的上下两侧区域获得增强的电磁场，在此电磁场和外加恒定磁场H的共同作用下，金属铁磁性薄膜（112）的两端即得到增强的自旋整流效应。

2. 根据权利要求1所述自旋整流器件，其特征在于所述类似C字形结构的两端形成开口角（110）为90度。

3. 根据权利要求1所述自旋整流器件，其特征在于所述的金属结构（102）是由Au、Ag或Cu金属材料构成，其厚度为100—1000纳米。

4. 根据权利要求1所述自旋整流器件，其特征在于所述的金属铁磁性薄膜（112），其长度远大于宽度，宽度远大于厚度，厚度为30—100纳米。

5. 根据权利要求1所述自旋整流器件，其特征在于所述的入射光（101）为线偏振、圆偏振或椭圆偏振。