CN108051633A - 一种获得拓扑绝缘体硒化铋反常线偏振光电流的方法 - Google Patents

一种获得拓扑绝缘体硒化铋反常线偏振光电流的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种获得拓扑绝缘体硒化铋反常线偏振光电流的方法，将激光依次通过斩波器、起偏器、二分之一波片，沿着硒化铋样品两电极连线的垂直平分线，将激光光斑从两电极连线的左边按一定距逐渐移动到右边，在每一个光斑位置处，转动二分之一波片从0度到180度，每一个二分之一波片角度下的光电流通过前置放大器和锁相放大器，然后进入数据采集卡并由电脑采集，对采集数据进行拟合计算，得到拓扑绝缘体硒化铋在线偏振光垂直入射下不同光斑位置处的光电流与二分之一波片角度的关系，并通过公式拟合，将不同光斑位置处的反常线偏振光电流提取出来。本发明方法简单，易于实现。

Description

一种获得拓扑绝缘体硒化铋反常线偏振光电流的方法
技术领域
本发明属于拓扑绝缘体偏振光学领域，具体涉及一种获得拓扑绝缘体硒化铋反常线偏振光电流的方法。
背景技术
拓扑绝缘体是一种新型的量子物质态，其体电子态是有能隙的绝缘态，表面态是无能隙的金属态。硒化铋是拓扑绝缘体的典型代表，因为它具有单个狄拉克锥，能带结构较为简单，并且它的体能隙较大(约为0.3eV)。由于拓扑绝缘体具有许多奇异的性质，在自旋电子学和量子计算领域，具有很好的应用前景。目前人们用光电流技术对拓扑绝缘体进行了大量的研究，包括圆偏振光致电流研究、线偏振光电流研究、瞬态时间分辨光电流研究。然而，到目前为止，对其反常线偏振光电流还未有报道。反常线偏振光电流是指当线偏振光垂直入射的时候，光电流呈现出与正常线偏振光电流不同的空间分布。拓扑绝缘体硒化铋的反常线偏振光电流测量十分困难，这是因为这种材料在线偏振光垂直入射的时候会同时出现正常线偏振光电流和反常线偏振光电流的分量。因此，实验上很难对其进行获得。
发明内容
基于上述现有技术的不足，本法提供一种获得拓扑绝缘体硒化铋反常线偏振光电流的方法，将反常线偏振光电流分离出来。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种获得拓扑绝缘体硒化铋反常线偏振光电流的方法，包括以下步骤：
步骤S1：在硒化铋样品表面上通过电子束蒸发沉积一对钛金电极，电极间距为1.2mm；
步骤S2：将激光依次通过斩波器、起偏器、二分之一波片，然后垂直入射在样品两电极连线的中点；调节二分之一波片，使其主轴方向与起偏器的偏振方向平行；
步骤S3：沿着两电极连线的垂直平分线，将激光光斑从两电极连线的左边按一定距逐渐移动到右边，在每一个光斑位置处，转动二分之一波片从0度到180度，将每一个二分之一波片角度下的光电流输入前置放大器和锁相放大器，然后进入数据采集卡并由电脑采集；
步骤S4：当激光光斑照射在两电极连线中点时，测得的光电流J用如下公式进行拟合：
其中，为二分之一波片与起偏器偏振方向的夹角，拟合得到光斑在两电极连线中点处时的普通线偏振光电流JLPGE0和角度Φ0，以及背景电流y00，
当光斑照射在非两电极连线中点位置时，测得的光电流J用如下公式进行拟合：
得到不同光斑位置处的背景电流y0，JL为线偏振光相关的光电流，包括普通线偏振光电流和反常线偏振光电流，为拟合参数；
则不同光斑位置处的普通线偏振光电流JLPGE：
JLPGE(x)＝JLPGE0×y0(x)/y00 公式(3)
其中，x表示光斑位置坐标，y0(x)表示当光斑照射在x位置时的背景电流，用如下公式对非两电极连线中点的不同光斑位置处的光电流进行拟合：
得到不同光斑位置处的反常线偏振光电流L1和L2。
进一步地，所述硒化铋为单晶结构。
进一步地，所述步骤S3中定距为0.1mm。
进一步地，所述步骤S3中，二分之一波片每转动5度采集一次光电流。
与现有技术相比，本发明具有有益效果：通过简单易于实现的方法将反常线偏振光电流分离出来。
附图说明
图1是本发明一实施例中的实验光路示意图。
图2是本发明一实施例LPGE电流和背景电流随光斑位置变化的曲线。
图3是本发明一实施例的光电流随二分之一波片角度的数据以及数据拟合示意图。
图4是本发明一实施例拟合得到的反常线偏振光电流L1随光斑位置变化的曲线。
图5是本发明一实施例拟合得到的反常线偏振光电流L2随光斑位置变化的曲线。
图中：1-1064nm激光器，2-斩波器，3-起偏器，4-二分之一波片，5-拓扑绝缘体硒化铋样品，6-沉积在样品上的两个电极，7-前置放大器，8-锁相放大器，9-低温杜瓦。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释说明。
一种获得拓扑绝缘体硒化铋反常线偏振光电流的方法，包括以下步骤：
步骤S1：在硒化铋样品表面上通过电子束蒸发沉积一对钛金电极，电极间距为1.2mm；
步骤S2：将激光依次通过斩波器、起偏器、二分之一波片，然后垂直入射在样品两电极连线的中点；调节二分之一波片，使其主轴方向与起偏器的偏振方向平行；
步骤S3：沿着两电极连线的垂直平分线，将激光光斑从两电极连线的左边按一定距逐渐移动到右边，在每一个光斑位置处，转动二分之一波片从0度到180度，将每一个二分之一波片角度下的光电流输入前置放大器和锁相放大器，然后进入数据采集卡并由电脑采集；
步骤S4：当激光光斑照射在两电极连线中点时，测得的光电流J用如下公式进行拟合：
其中，为二分之一波片与起偏器偏振方向的夹角，拟合得到光斑在两电极连线中点处时的普通线偏振光电流JLPGE0和角度Φ0，以及背景电流y00，
当光斑照射在非两电极连线中点位置时，测得的光电流J用如下公式进行拟合：
得到不同光斑位置处的背景电流y0，JL为线偏振光相关的光电流，包括普通线偏振光电流和反常线偏振光电流，φ为拟合参数；
则不同光斑位置处的普通线偏振光电流JLPGE：
JLPGE(x)＝JLPGE0×y0(x)/y00 公式(3)
其中，x表示光斑位置坐标，y0(x)表示当光斑照射在x位置时的背景电流，用如下公式对非两电极连线中点的不同光斑位置处的光电流进行拟合：
得到不同光斑位置处的反常线偏振光电流L1和L2。
本发明一具体实施例中的实验光路示意图参见图1，其中的样品5是用分子束外延生长技术(MBE)在(111)面钛酸锶衬底上生长的硒化铋薄膜，为单晶结构，厚度约为7纳米(nm)，在2K下测得样品的载流子浓度和迁移率分别为2.68×1013cm-2和197.4cm2V-1s-1。本发明实施例是在77K温度下测得的，因此需要将样品装在杜瓦瓶中。
本实施例采用如下的步骤：
(1)通过电子束蒸发在样品表面上沉积一对钛金电极，电极间距约为1.2mm。然后将样品用低温胶粘在低温杜瓦上。往低温杜瓦里面灌入液氮，并将温度调节到77K。
(2)采用如图1所示的测量光路，其中1是1064nm的激光器，激光强度呈现高斯分布，功率为250mW，激光通过斩波器2、起偏器3和二分之一波片4后垂直入射在样品两电极6的垂直平分线上，光斑的直径约为1mm。产生的光电流进入前置放大器7，然后进入锁相放大器8，最后进入数据采集卡并由电脑采集。斩波器2的斩波频率为229Hz，锁相放大器8的参考频率为斩波器2的频率。调节二分之一波片4，使得其主轴方向与起偏器3的偏振方向平行。
(3)将激光光斑从两电极连线的左边0.7mm处沿着两电极的垂直平分线移动到右边0.7mm处，步长为0.1mm。在每一个光斑位置处，转动四分之一波片从0度到180度，较佳的，步长为5度，将每一个二分之一波片角度下的光电流输入前置放大器和锁相放大器，然后进入数据采集卡并由电脑采集。
(4)当光斑照射在两电极连线中点时，测得的光电流用如下公式进行拟合：
其中，为二分之一波片与起偏器偏振方向的夹角。这是因为在光斑垂直照射在两电极连线的中点时，反常线偏振光电流为零，只有普通的线偏振光电流(LPGE电流)。拟合得到光斑在两电极连线中点处时的普通线偏振光电流JLPGE0和角度Φ0，以及背景电流y00。将其他光斑位置处的光电流用如下公式进行拟合：
得到不同光斑位置处的背景电流y0，结果如图2中矩形点所示。通常情况下，LPGE电流随光斑的变化趋势与背景电流y0随光斑位置变化的趋势相同，即当光斑位于两电极连线中点时，他们的强度最大，当光斑远离电极连线中点时，他们的强度均减小。因此，我们可以通过如下公式得到不同光斑位置处的LPGE电流。
JLPGE(x)＝JLPGE0×y0(x)/y00公式(3)
其中x表示光斑位置坐标，y0(x)表示当光斑照射在x位置时的背景电流。这样得到的不同光斑位置处的LPGE电流如图2中三角形点所示。
得到了不同光斑位置处的LPGE电流后，就可以通过如下公式的拟合将反常线偏振光电流分离出来。即用如下公式对不同光斑位置处的光电流进行拟合：
这样可以得到不同光斑位置处的反常线偏振光电流L1和L2，其结果如图4和图5所示。图3给出了本实施例中测得的一组光电流随二分之一波片转角的实验数据以及拟合曲线。这组实验数据(图中圆形空心点)是在77K下测得，光斑中心在离两电极中点左边0.25mm处。其中，粗实线是根据公式(4)得到的拟合曲线，长虚线表示LPGE电流，短虚线和点划线是根据公式(4)拟合得到的L1和L2分量，细实线是拟合得到的背景电流，该背景电流主要是由光伏效应、丹培效应和热电效应引起的。
从图4可以看到，反常线偏振光电流L1随光斑位置变化呈现类似正弦的变化关系，这是由光学动量准直效应(optical momentum alignment effect)引起。然而，反常线偏振光电流L2随光斑位置变化呈现类似“M”型的变化关系。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和成果进行了详尽说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，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 (4)

1.一种获得拓扑绝缘体硒化铋反常线偏振光电流的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：在硒化铋样品表面上通过电子束蒸发沉积一对钛金电极，电极间距为1.2mm；
步骤S2：将激光依次通过斩波器、起偏器、二分之一波片，然后垂直入射在样品两电极连线的中点；调节二分之一波片，使其主轴方向与起偏器的偏振方向平行；
步骤S3：沿着两电极连线的垂直平分线，将激光光斑从两电极连线的左边按一定距逐渐移动到右边，在每一个光斑位置处，转动二分之一波片从0度到180度，将每一个二分之一波片角度下的光电流输入前置放大器和锁相放大器，然后进入数据采集卡并由电脑采集；
步骤S4：当激光光斑照射在两电极连线中点时，测得的光电流J用如下公式进行拟合：
其中，为二分之一波片与起偏器偏振方向的夹角，拟合得到光斑在两电极连线中点处时的普通线偏振光电流JLPGE0和角度Φ0，以及背景电流y00，
当光斑照射在非两电极连线中点位置时，测得的光电流J用如下公式进行拟合：
得到不同光斑位置处的背景电流y0，JL为线偏振光相关的光电流，包括普通线偏振光电流和反常线偏振光电流，为拟合参数；
则不同光斑位置处的普通线偏振光电流JLPGE：
JLPGE(x)＝JLPGE0×y0(x)/y00 公式(3)
其中，x表示光斑位置坐标，y0(x)表示当光斑照射在x位置时的背景电流，用如下公式对非两电极连线中点的不同光斑位置处的光电流进行拟合：
得到不同光斑位置处的反常线偏振光电流L1和L2。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述硒化铋为单晶结构。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S3中定距为0.1mm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S3中，二分之一波片每转动5度采集一次光电流。
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