CN110441929A - 基于磁电子学阵列式可调谐太赫兹波发射器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光电功能器件技术领域，公开了一种基于磁电子学阵列式可调谐太赫兹发射器及其制作方法，基于磁电子学阵列式可调谐太赫兹波发射器从下往上依次为：基片衬底、金属层I、铁磁层、金属层II、覆盖层；所述基片衬底、金属层I、铁磁层、金属层II、覆盖层均通过原子级别的生长方式结合在一起。本发明利用物理或化学的方法在基片衬底上蒸镀多层复合膜，利用微纳加工技术制备阵列结构；本发明发射器所发射的电磁波频率在0.1THz～10THz范围，发射太赫兹波振幅、频宽、中心频率、波形可调谐；本发明的阵列式太赫兹波发射器具有体积小、转换效率高、频谱宽和可调谐等优点。

Description

基于磁电子学阵列式可调谐太赫兹波发射器及其制作方法

技术领域

本发明属于光电功能器件技术领域，尤其涉及一种基于磁电子学阵列式可调谐太赫兹波发射器及其制作方法。

背景技术

太赫兹波频率通常为0.1-10THz，介于毫米波与远红外光之间，由于受到电子学方法难以产生高频率电磁波和光子学方法难以产生低频率电磁波的限制，很长时间以来，太赫兹频率范围内的现象与机制尚未得到充分的认识和开发利用。相对于其他频段，太赫兹波具有载波频率高、带宽大、通讯容量大；穿透性好、成像分辨率高；光子能量低、安全性好，可无损探测；覆盖多数物质的特征谱的优点。这些优点使其在太赫兹通信，太赫兹成像，太赫兹波谱与生物医疗，环境检测，太赫兹天文探测等领域均有广泛应用。而太赫兹技术广泛应用的核心器件之一即为太赫兹发射器。

现有的太赫兹发射器主要有：自由电子激光器、太赫兹量子级联激光器、光电导天线、非线性混频器以及真空电子波荡管。基于不同的物理过程这些发射器都有或多或少的缺点，包括设备过于庞大、难以小型化，生产工艺复杂，需要低温工作，发射效率低，成本过高，难以控制等。提高太赫兹波的发射效率，同时减小器件体积，产生波前可控的太赫兹脉冲成为亟待解决的关键科学和技术问题。

基于飞秒激光的超快光子学产生太赫兹波技术的诞生，引起了科学家们的广泛兴趣，推动了桌面式、手持式太赫兹宽谱成像与太赫兹光谱的高速发展，太赫兹科学和技术开始被应用于人体安检，宽谱成像，医学诊断领域。但太赫兹波段的各种新型廉价器件还十分缺乏，尤其是发射器。

本专利提出一种制备阵列式的微型太赫兹波发射器的方案，采用相对简单的制备工艺，相对低的生产成本，获得一种可应用于微型设备或者芯片级集成，或者应用于特殊波形的太赫兹脉冲产生技术。本专利的核心包括基于磁性多层结构膜产生太赫兹脉冲以及制备阵列式结构的微纳加工技术。

2004年，磁性薄膜被发现能用于太赫兹辐射的产生【Beaurepaire E,Turner G M,Harrel S M,et al.Coherent terahertz emission from ferromagnetic films excitedby femtosecond laser pulses[J].Applied Physics Letters,2004,84(18):3465-3467.】，但这种方法的太赫兹波发射效率很低。近十年后，Kampfrath等人【Kampfrath T,Battiato M,Maldonado P,et al.Terahertz spin current pulses controlled bymagnetic heterostructures[J].Nature nanotechnology,2013,8(4):256.】通过引入异质结构，通过自旋极化的非对称光激发，产生非零的扩散自旋流。借助铁磁材料能带结构的自旋相关性，光激发的多数自旋电子能跃迁到迁移率高的能带，而少数自旋电子则跃迁到迁移率较低的能带。这一非对称光激发，能有效地产生非零自旋流。由于逆自旋Hall效应(自旋-轨道耦合使电子偏离)，自旋流将转换成横向电荷电流，作为一种新型太赫兹波辐射源。这一过程有别于前述的超快退磁发射THz脉冲，使用这种方法可以获得0.3-20THz频宽的太赫兹辐射。通过改变异质结构，比如选择低迁移率金属(Ru)或者高迁移率金属(Au)作为覆盖层，可以有效调控飞秒光所诱导的“自旋流”，从而改变THz辐射的形状。2016年T.Seifert等人又进一步将双层结构优化为三层结构【Seifert T,Jaiswal S,Martens U,et al.Efficient metallic spintronic emitters of ultrabroadband terahertzradiation[J].Nature photonics,2016,10(7):483-488.】，使得太赫兹波的发射效率得到进一步提升，已经可与传统的发射方法相媲美，已经具备实用化的条件。

太赫兹波发射器的研究对于太赫兹科学和技术研究的推动和发展有着重要意义。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)基于电子学方法，例如量子级联激光器、真空电子波荡管等，产生的太赫兹波基本为连续单频率波，连续调谐困难。同时，设备庞大，需要大量不同的器件来实现波长的连续调谐。生产设备昂贵，生产工艺复杂，很多发射器需要在低温下工作。而基于光子学方法，例如光电导、光整流等技术，虽然可以产生宽谱的太赫兹脉冲，但是也存在发射器价格昂贵，一旦制备完成，难以进行操控调谐的缺点。

(2)现有技术基于磁性薄膜的太赫兹波发射器，尚未利用物理或化学的方法在基片衬底上蒸镀多层复合膜并利用微纳加工技术制备阵列结构；造成现有技术的太赫兹波发射芯片发射效率低，难以调谐。

上述技术问题的关键在于降低成本，而使用上述的方法均存在生产设备昂贵，一旦器件制备出来便难以改变的缺点。并且基本都无法对太赫兹波进行调谐。

解决上述问题，具有非常高的应用价值与现实意义。包括：能够极大降低发射器的生产成本。通过调整发射器的设计，可以获得不同的太赫兹辐射脉冲的中心频率和频宽，实现太赫兹脉冲波形的调谐。同时，该发射器具有小型化，易于携带的特点。太赫兹波发射器的低成本，小型化，定制化的发展将极大地推动太赫兹光谱，太赫兹安检，太赫兹通讯等领域的发展。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于磁电子学阵列式可调谐太赫兹波发射器及其制作方法。本发明的太赫兹波段处于微波和红外波之间，和其他波段相比，这一波段的发射源还较少。用本发明制作的这种发射源具有转换效率高，频谱宽度宽，易于调谐，可应用于微纳集成等特点，并能大规模制造，兼容现今集成电路主流制造工艺，可实现集成微型化应用。

本发明使用通用的薄膜制备方法与微结构加工方法制造，所述磁电子学阵列式可调谐太赫兹波发射器从下往上依次为：

基片衬底、金属层I、铁磁层、金属层II、覆盖层。这些层均是通过原子级别的生长方式结合在一起，具有非常高的稳定性。

进一步，基片衬底为高阻硅片、石英片、氧化镁和蓝宝石的一种。

进一步，金属层I、金属层II均为具有强自旋-轨道耦合效应的非磁性金属，或者具有强自旋-轨道耦合效应的磁性金属，或者具有很高电子迁移率，并且具有很强自旋-轨道耦合效应的材料。

进一步，金属层I为：Au，Pd，Cr，Ta，W，Pt，Ru，MoS₂，Bi₂Se₃等材料中的一种。

金属层II为Au，Pd，Cr，Ta，W，Pt，Ru，MoS₂，Bi₂Se₃等材料中的一种。

进一步，金属层I、金属II层厚度均为1～10nm。

进一步，铁磁层具有强的磁性。

铁磁层为NdFeB、NiFe、CoPt、Co₂MnSn、CoFe中的一种。

铁磁层厚度为1～10nm。

进一步，覆盖层为氧化物或者惰性金属，为MgO，Au，Pt中的一种。

覆盖层厚度为2～4nm。

进一步，所述的基于磁电子学阵列式可调谐太赫兹波发射器为周期性微纳结构和非周期性微纳结构。

所述的周期结构包括条状光栅结构、矩形结构、圆结构、十字架。

所述的周期结构尺寸为2μm～500μm。

所述非周期微纳结构尺寸范围为2μm～500μm。

本发明的另一目的在于提供一种基于磁电子学阵列式可调谐太赫兹波发射器的制作方法包括以下步骤：

步骤一，选取合适的材料，基片衬底满足对太赫兹波的高透过率。

步骤二，生长太赫兹发射磁性复合膜。

进一步，步骤一中，基片衬底为高阻硅片、石英片、氧化镁和蓝宝石。

步骤二生长太赫兹发射磁性复合膜中，应用的镀磁性膜层具有强的磁性，为有NdFeB、NiFe、CoPt、Co₂MnSn、CoFe

应用的非磁性金属层具有自旋轨道耦合效应的金属，为Au，Pd，Cr，Ta，W，Pt，Ru。

制备周期性微纳结构和非周期性微纳结构中，依据对发射器的需求进行设计加工，加工方法包括激光直写加工法、离子束刻蚀、光刻等工艺方法。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：

本发明使用通用型的薄膜制备技术，易于量产。多种微纳加工方法均可以应用，可以使器件的尺寸极大地缩小，可应用到各种集成与微型化的应用中。

本发明提供的阵列式太赫兹发射器的制作方法，采用物理或者化学镀膜方法，生长不同厚度的多层复合薄膜结构，使用微纳加工方法对复合膜进行加工，制备出微纳结构。

本发明在制作方面首先本发明要选取合适的材料，基片衬底必须要满足对太赫兹波的高透过率，主要有高阻硅片、石英片、氧化镁和蓝宝石，接着生长太赫兹发射磁性复合膜。所镀磁性膜层需要具有强的磁性，主要有NdFeB、NiFe、CoPt、Co₂MnSn、CoFe等，非磁性金属层需要具有自旋轨道耦合效应的金属，主要有Au，Pd，Cr，Ta，W，Pt，Ru等。这样才能保证在太赫兹波段对太赫兹波有高的发射效率。制备微纳结构主要依据对发射器的需求来进行设计加工，主要有激光直写加工法、离子束刻蚀、光刻等工艺方法。

本发明太赫兹波的发射效率与波形与材料、薄膜的结构、不同薄膜层的厚度、制备的微纳形状都有直接关系。

本发明阵列式太赫兹发射器具有小型，可调谐的特征。可以看到本发明的发射信号具有能量转换效率高、频谱宽度宽等优点。

附图说明

图1是本发明实施例提供的太赫兹波发射器的薄膜实施实例结构图。

图2是本发明实施例提供的太赫兹波发射器实施实例的原理示意图。

图中：1、覆盖层；2、金属层Pt；3、铁磁层；4、金属层W；5、基片衬底层。

图3是本发明实施例提供的制作阵列式太赫兹波发射器实施实例的示意图。

图4是本发明实施例提供的制作阵列式太赫兹波发射器实施实例的流程图。

图5是本发明实施例提供的太赫兹波发射器阵列化加工实施实例的一种方案。

图6是本发明实施例提供的太赫兹波发射器实施实例的测试光路示意图。

图7是本发明实施例提供的整块完整太赫兹波发射器实施实例的辐射波形图。

图8是本发明实施例提供的一维条纹化阵列式太赫兹波发射器的示意及转角度的太赫兹波信号图。

图9是本发明实施例提供的二维方块化阵列式太赫兹波发射器的示意及变长度的太赫兹波信号图。

图10是本发明实施例提供的基于磁电子学阵列式可调谐太赫兹波发射器发射原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

现有技术没有利用物理或化学的方法在基片衬底上镀多层复合膜，利用微纳加工技术制备阵列结构。造成现有技术的太赫兹发射芯片发射效率低，成本高。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于磁电子学阵列式可调谐太赫兹波发射器及其制作方法，下面结合具体方案对本发明作详细描述。

本发明实施例提供的基于磁电子学阵列式可调谐太赫兹波发射器，从下往上依次为：

基片衬底、金属层I、铁磁层、金属层II、覆盖层。这些层均是通过原子级别的生长方式结合在一起，具有非常高的稳定性。

在本发明实施例中，基片衬底为高阻硅片、石英片、氧化镁和蓝宝石的一种。

在本发明实施例中，金属层I、金属层II均为具有强自旋-轨道耦合效应的非磁性金属，或者具有强自旋-轨道耦合效应磁性金属。

在本发明实施例中，金属层I为：Au，Pd，Cr，Ta，W，Pt，Ru中的一种。

在本发明实施例中，金属层II为Au，Pd，Cr，Ta，W，Pt，Ru中的一种。

在本发明实施例中，金属层I、金属层II厚度均为1～10nm。

在本发明实施例中，铁磁层具有强的磁性。

铁磁层为NdFeB、NiFe、CoPt、Co₂MnSn、CoFe中的一种。

铁磁层厚度为1～10nm。

在本发明实施例中，覆盖层为氧化物或者惰性金属，为MgO，Au，Pt中的一种。

覆盖层厚度为2～4nm。

在本发明实施例中，所述的基于磁电子学阵列式可调谐太赫兹波发射器为周期性微纳结构和非周期性微纳结构。

所述的周期结构包括条状光栅结构、矩形结构、圆结构、十字架。

所述的周期结构尺寸为2μm～500μm。

所述非周期微纳结构尺寸范围为2μm～500μm。

在本发明实施例中，本发明提供基于磁电子学阵列式可调谐太赫兹波发射器的制作方法包括以下步骤：

步骤一，选取合适的材料，基片衬底满足对太赫兹波的高透过率。

步骤二，生长太赫兹发射磁性复合膜。

在本发明实施例中，步骤一中，基片衬底为高阻硅片、石英片、氧化镁和蓝宝石。

步骤二生长太赫兹发射磁性复合膜中，应用的镀磁性膜层具有强的磁性，为有NdFeB、NiFe、CoPt、Co₂MnSn、CoFe

应用的非磁性金属层具有强自旋-轨道耦合效应的金属，为Au，Pd，Cr，Ta，W，Pt，Ru。

制备周期性微纳结构和非周期性微纳结构中，依据对发射器的需求进行设计加工，加工方法包括激光直写加工法、离子束刻蚀、光刻等工艺方法。

结合具体实施例对本发明作进一步描述。

实施例一

如图1所示，本发明的太赫兹波发射器是由基片衬底(1)和基片衬底上所镀的磁性多层金属薄膜构成。从基片衬底层5往上依次为：金属层W 4(4nm)、铁磁层3CoFeB(4nm)、金属层Pt 2(4nm)、覆盖层1(2nm)。整块样品只有5mm*5mm大小。

如图2所示，其中铁磁层需要具有面内磁化方向。金属层W 4、铁磁层3、金属层Pt 2需要构成异质结。给出的厚度为常用厚度，改变不同的厚度可以改变太赫兹波发射信号的强弱与中心频率。使用常用的物理与化学镀膜方法，例如磁控溅射，化学气相沉积，分子束外延等。

图3是本发明实施例提供的制作阵列式太赫兹波发射器实施实例的示意图。

如图4所示，本发明实施例提供了制作阵列式太赫兹波发射器实施实例的流程图。

在本本发明实施例中，利用微纳加工技术，将发射器薄膜阵列化，本发明采用的是激光直写加工技术如图5所示。

在利用激光对薄膜刻蚀时，激光的焦点是在离开金属表面50μm～300μm范围内调节，以便控制刻蚀的宽度，这样不至于激光损坏基片衬底材料，同时又能较完整的去除金属薄膜。飞秒激光器(脉冲宽度:120fs，重复频率:1kHz，工作波长:800nm)用来进行飞秒激光直写。将高斯激光束用50×的显微镜物镜(数值孔径是0.55,Nikon ECLIPSE 80i)聚焦在样品表面，样品放置在XYZ三维压电控制平台上，扫描速度为100μm/s。飞秒激光脉冲的光斑直径为2μm，聚焦在异质结构样品表面进行微纳加工。激光直写的参数由程序自动控制，由放置于光路中的电子快门，可变滤波器和半波片共同实现。

利用太赫兹波发射光谱技术对所制作的阵列式太赫兹波发射信号进行测试。图6给出了太赫兹波发射器信号的测试方案。飞秒激光产生的飞秒脉冲经过分束镜(B)后分成两束，分别为太赫兹产生光和太赫兹探测光。太赫兹产生光激发THz芯片，所辐射的太赫兹脉冲和产生光脉冲经过硅棱镜后过滤掉产生光脉冲只留下THz脉冲。离轴抛物镜(C)将太赫兹脉冲和经过延迟线的太赫兹探测光同时共线汇聚到探测电光晶体ZnTe(<110>,1mm)上，入射的太赫兹脉冲通过扑克尔斯效应引起ZnTe晶体的双折射，在晶体中产生的双折射使得探测脉冲的偏振方向发生偏转，探测光经过四分之一波片(D)后线偏光转变为椭圆偏振光，椭圆偏振光经过渥拉斯顿棱镜(E)后分成o光与e光，THz探测器所探测到的o光与e光的强度差正比于太赫兹脉冲的电场强度，从而得到太赫兹脉冲波形。

图7是本发明实施例提供的整块完整太赫兹发射器实施实例的辐射波形图。

图8给出了5μm宽度，10μm周期的光栅结构阵列式太赫兹发射器的结构与太赫兹发射波形，通过旋转发射器的角度，可以实现对太赫兹波的调幅。

实施例二：

本实施例与实施例一相同，采用SiO₂(基片衬底)/CoFeB(4nm)/Pt(nm)复合薄膜，使用飞秒激光微加工制备结构。使用实例一相同的测试方案进行测试。特别之处在于：本实例将条纹结构替换为方块结构，示意图如图9所示。发射器总尺寸为5mm*5mm，方块尺寸为a*b，方块间横向与纵向间隔均为10μm，b为20μm，a分别取了20μm，40μm，80μm，160μm，320μm。图9给出了太赫兹发射信号的时域谱，通过改变方块a边的长度，可以实现峰值功率与宽频信号中心频率的调制。

图10是本发明实施例提供的基于磁电子学阵列式可调谐太赫兹波发射器发射原理图。通过飞秒激光照射发射器，发射器可以辐射太赫兹波；发射器由多层磁性金属薄膜和非磁性金属薄膜组成，通过在异质结构表面设计制备不同的微纳结构，包括周期与非周期微纳结构，不同的材料与薄膜厚度实现不同的发射效率及发射频率的调谐。

下面结合效果对本发明作进一步描述。

本发明的发射器由多层磁性金属薄膜和非磁性金属薄膜组成，通过在异质结构表面设计制备不同的微纳结构(包括周期的与非周期的)、不同的材料与薄膜厚度实现不同的发射效率及发射频率的调谐。本发明的方法利用物理或化学的方法在基片衬底上镀多层复合膜，利用微纳加工技术制备阵列结构。本发射器发射的电磁波在频率0.1THz～10THz的范围，发射太赫兹波振幅、频宽、中心频率、波形可调，主要取决于所使用激发光源的脉冲宽度、发射器材料的选取与阵列构型的设计。

本发明设计的磁性多层纳米金属薄膜太赫兹发射芯片显著的提高发射效率，成本低廉。

本发明的核心是，通过引入微纳加工技术，制备了微纳结构阵列，为太赫兹波发射器的微型化、集成化、易操控性提供了新的可能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于磁电子学阵列式可调谐太赫兹波发射器，其特征在于，所述基于磁电子学阵列式可调谐太赫兹波发射器从下往上依次为：

基片衬底、金属层I、铁磁层、金属层II、覆盖层；所述基片衬底、金属层I、铁磁层、金属层II、覆盖层均通过原子级别的生长方式结合在一起。

2.如权利要求1所述基于磁电子学阵列式可调谐太赫兹波发射器，其特征在于，基片衬底为高阻硅片、石英片、氧化镁或蓝宝石的一种。

3.如权利要求1所述的基于磁电子学阵列式可调谐太赫兹波发射器，其特征在于，金属层I、金属层II均为具有强自旋-轨道耦合效应的非磁性金属，或者具有强自旋-轨道耦合效应的磁性金属。

4.如权利要求1所述的基于磁电子学阵列式可调谐太赫兹波发射器，其特征在于，金属层I为：Au，Pd，Cr，Ta，W，Pt，Ru中的一种；

金属层II为Au，Pd，Cr，Ta，W，Pt，Ru中的一种。

5.如权利要求4所述的基于磁电子学阵列式可调谐太赫兹波发射器，其特征在于，金属层I、金属层II厚度均为1～10nm。

6.如权利要求1所述的基于磁电子学阵列式可调谐太赫兹波发射器，其特征在于，铁磁层具有强的磁性；

铁磁层为NdFeB、NiFe、CoPt、Co₂MnSn、CoFe中的一种；

铁磁层厚度为1～10nm。

7.如权利要求1所述基于磁电子学阵列式可调谐太赫兹波发射器，其特征在于，覆盖层为金属氧化物或者惰性金属为MgO，Au，Pt中的一种；

覆盖层厚度为2～4nm。

8.如权利要求1所述的基于磁电子学阵列式可调谐太赫兹波发射器，其特征在于，所述的基于磁电子学阵列式可调谐太赫兹波发射器为具有周期微纳结构和非周期微纳结构；

所述的周期结构包括条状光栅结构、矩形结构、圆结构、十字架结构；

所述的周期结构单元尺寸为2μm～500μm；

所述非周期微纳结构尺寸范围为2μm～500μm。

9.一种如权利要求1所述基于磁电子学阵列式可调谐太赫兹波发射器的制作方法，其特征在于，所述基于磁电子学阵列式可调谐太赫兹波发射器的制作方法包括以下步骤：

步骤一，选取合适的材料，基片衬底满足对太赫兹波的高透过率；

步骤二，生长太赫兹波发射磁性复合膜。

10.如权利要求9所述的基于磁电子学阵列式可调谐太赫兹波发射器的制作方法，其特征在于，

步骤一中，基片衬底为高阻硅片、石英片、氧化镁和蓝宝石；

步骤二生长太赫兹发射磁性复合膜中，磁性膜层具有强的磁性，可选用NdFeB、NiFe、CoPt、Co₂MnSn、CoFe；

应用的非磁性金属层具有强自旋-轨道耦合效应的金属，为Au，Pd，Cr，Ta，W，Pt，Ru；

制备周期性微纳结构和非周期性微纳结构中，依据对发射器的需求进行设计加工，加工方法包括激光直写加工法、离子束刻蚀、光刻工艺方法。