CN111244269A - 三维拓扑绝缘体Bi2Te3光致反常霍尔电流的增强方法 - Google Patents
三维拓扑绝缘体Bi2Te3光致反常霍尔电流的增强方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种三维拓扑绝缘体Bi2Te3光致反常霍尔电流的增强方法，其特征在于,包括以下步骤：步骤S1选择符合条件的衬底材料；步骤S2:用分子束外延设备，在预设衬底上，生长三维拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜；步骤S3：在三维拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜上用电子束蒸发制备两对钛/金电极，其中一对为圆形电极，另一对为条形电极；步骤S4：根据增强系统，选取特定波长的激光器，增强步骤S2中不同厚度三维拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜的光致反常霍尔电流。本发明能够简便快捷且有效的增强三维拓扑绝缘体Bi2Te3光致反常霍尔电流。
Description
技术领域
本发明涉及自旋电子学领域，具体涉及一种三维拓扑绝缘体Bi2Te3光致反常霍尔电流的增强方法。
背景技术
三维拓扑绝缘体是一种新型的量子物质态，在其表面具有自旋动量锁定的无能隙狄拉克电子态。该特点为拓扑绝缘体带来许多奇异的性质，使其在自旋电子学和量子计算领域具有很大的应用潜力。Bi2Te3是三维拓扑绝缘体的典型代表，具有较为简单的能带结构。目前，在自旋电子学领域有许多工作围绕碲化铋展开。
光致反常霍尔电流通过圆偏振光激发样品产生自旋极化的载流子，这些载流子在纵向电场的作用下发生移动。由于自旋霍尔效应，这些载流子将受到与运动方向垂直的力的作用，而且自旋向上的电子和自旋向下的电子受到的力的方向是相反的。从而在垂直于电场的方向上产生电流，即光致反常霍尔电流。光致反常霍尔电流是研究材料自旋霍尔效应的有力手段，同时也是研制新型自旋光电子器件的有力工具。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种三维拓扑绝缘体Bi2Te3光致反常霍尔电流的增强方法，能够简便快捷且有效的增强三维拓扑绝缘体Bi2Te3光致反常霍尔电流。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种三维拓扑绝缘体Bi2Te3光致反常霍尔电流的增强方法，包括以下步骤：
步骤S1：选择符合条件的衬底材料；
步骤S2:用分子束外延设备，在预设衬底上，生长三维拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜；
步骤S3：在三维拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜上用电子束蒸发制备两对钛/金电极，其中一对为圆形电极，另一对为条形电极；
步骤S4：根据增强系统，选取特定波长的激光器，增强步骤S2中不同厚度三维拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜的光致反常霍尔电流。
进一步的，所述衬底材料为沿（111）晶面生长的绝缘Si衬底，且没有掺杂，费米能级在带隙中间。
进一步的，所述激光器采用1064 nm的激光器。
进一步的，所述步骤S4具体为：
步骤S41:将样品贴在杜瓦瓶的样品座上。用银浆和银丝将样品上四个电极引线到杜瓦瓶的接线柱上,并将杜瓦瓶抽真空；
步骤S42：激光器出来的光依次通过衰减片、起偏器、光弹性调制器后垂直入射在样品四个电极的中心；样品上的两个条形电极与直流电压源相连；通过直流电压源对样品施加稳定的纵向电场E；样品上的两个圆形电极与前置放大器相连，进行光电流的收集；光电流经过前置放大器放大后进入锁相放大器；光电流经过锁相放大器放大后进入数据采集卡进行采集；
步骤S43：将样品上左侧的条形电极接直流电压源的正电压输出端，将样品上右侧的条形电极接直流电压源的负电压输出端，通过电脑控制直流电压源输出-3 V至3 V的电压，步长为0.2 V；在每一个直流电压下，按步骤S42由圆形电极采集与光弹性调制器一倍频同频率的光电流，记为I1；
步骤S44：将样品上两对条形电极的接线对调，即将样品上右侧的条形电极接直流电压源的正电压输出端，将样品上左侧的条形电极接直流电压源的负电压输出端；通过电脑控制直流电压源输出-3 V至3 V的电压，步长为0.2 V；在每一个直流电压下，按步骤S42由圆形电极采集与光弹性调制器一倍频同频率的光电流，记为I2；
步骤S45：根据得到的I1和I2，计算得到的真正的光致反常霍尔电流和光致反常霍尔电导。
进一步的，所述步骤S45具体为：
通过式（1）获得真正的光致反常霍尔电流：
IPAHE= (I1－I2)/2 （1）
其中，IPAHE为光致反常霍尔电流；I1和I2分别为由步骤S43和步骤S44测得的光电流；
通过式（2）获得光致反常霍尔电导σxy：
其中，JPAHE为光致反常霍尔效应电流的电流密度，
为纵向电场，由步骤S43和S44通过直流电压源施加在条形电极上的直流电压所产生；
为电子自旋极化方向。
进一步的，所述增强系统包括激光器、衰减片、起偏器、光弹性调制器和待测样品；所述待测样品设有一对条形电极和一对圆形电极；所述条形电极与直流电压源相连；所述圆形电极与前置放大器，进行光电流收集；所述前置放大器通过锁相放大器连接光弹性调制器；所述激光器出来的光依次通过衰减片、起偏器、光弹性调制器后垂直入射在样品四个电极的中心。
进一步的，所述三维拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜的厚度在3到50纳米之间，其费米能级位于体导带中，且表面态能带为无能隙狄拉克型电子态，上表面态产生光致反常霍尔电流的效率高于下表面态。
进一步的，所述光致反常霍尔电流的测量温度为300 K；所述光弹性调制器的主轴方向与起偏器的偏振方向夹角为45度；所述光弹性调制器的位相延迟设置为0.25∙λ，其中，λ为激光器的波长。
进一步的，所述激光器采用可见或近红外激光器，且其光子能量大于衬底材料的带隙。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明结构设计简单，易于操作，利于推广应用。
2、本发明能够简便快捷且有效的增强三维拓扑绝缘体Bi2Te3光致反常霍尔电流。
附图说明
图1是本发明测量系统的光路示意图；
图2是本发明一实施例中不同厚度三维拓扑绝缘体Bi2Te3样品所测的光致反常霍尔电流随纵向电场强度变化的曲线；
图3是本发明一实施例的不同厚度三维拓扑绝缘体Bi2Te3样品所测的光致反常霍尔电导的比较；
图4是本发明一实施例中的厚度分别为3、5、7、20 nm的三维拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜在室温条件1064 nm波长的光激发下的光致反常霍尔电流随纵向电场的变化曲线。其中的实线为线性拟合得到的曲线；
图5是本发明一实施例中在室温条件1064 nm波长的光激发下，所测得的光致反常霍尔电导随厚度的变化曲线；
图6是本发明一实施例中在室温条件1342 nm波长的光激发下，所测得的光致反常霍尔电导随厚度的变化曲线；
图7是本发明一实施例中厚度为7 nm的三维拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜在不同光功率的1064 nm激光激发下的光致反常霍尔电流随纵向电场的变化曲线；
图8是本发明一实施例中厚度为7 nm的三维拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜在不同光功率的1342 nm激光激发下的光致反常霍尔电流随纵向电场的变化曲线；
图9是本发明一实施例中在室温条件1064 nm波长的光激发下，在厚度为7 nm的三维拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜中所测得的光致反常霍尔电流随光功率的变化曲线；
图10是本发明一实施例中在室温条件1342 nm波长的光激发下，在厚度为7 nm的三维拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜中所测得的光致反常霍尔电流随光功率的变化曲线；
图11是本发明一实施例中在三维拓扑绝缘体Bi2Te3在1064 nm和1342 nm 波长的光激发下，上表面态与下表面态的电子发生能带跃迁的示意图；其中，CB1和CB2分别表示第一导带和第二导带，VB1和VB2分别表示第一价带和第二价带，SS1和SS2分别表示第一表面态和第二表面态，EF表示费米能级，kx 表示x方向的动量空间波矢。红色和蓝色的箭头表示自旋方向。黑色的箭头表示光学跃迁；
图12是本发明一实施例中Si衬底上生长的三维拓扑绝缘体Bi2Te3由衬底自旋注入引起光致反常霍尔电流增大的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
请参照图1，本发明提供一种三维拓扑绝缘体Bi2Te3光致反常霍尔电流的测量系统，包括激光器、衰减片、起偏器、光弹性调制器和待测样品；所述待测样品设有一对条形电极和一对圆形电极；所述条形电极与直流电压源相连；所述圆形电极与前置放大器，进行光电流收集；所述前置放大器通过锁相放大器连接光弹性调制器；所述激光器出来的光依次通过衰减片、起偏器、光弹性调制器后垂直入射在样品四个电极的中心。
实施例1：
在本实施例中，提供了基于三维拓扑绝缘体Bi2Te3光致反常霍尔电流的测量方法的调控方法，包括以下步骤：
步骤S1：用分子束外延设备生长不同厚度的三维拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜；
步骤S2：在不同厚度的三维拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜上用电子束蒸发制备两对钛/金电极，其中一对为圆形电极，另一对为条形电极。
步骤S3：测量步骤S2中不同厚度三维拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜的光致反常霍尔电流；
步骤S4:根据步骤S3获取的不同厚度三维拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜的光致反常霍尔电流，通过改变三维拓扑绝缘体Bi2Te3的厚度，对光致反常霍尔电流进行调控。
在本实施例中，所述步骤S1中三维拓扑绝缘体厚度分别为3、5、7、12、20 nm，样品大小为2 mm × 12 mm。衬底材料为沿（111）晶面生长的绝缘Si衬底，且衬底没有掺杂，费米能级在带隙中间。
优选的，在本实施例中，所述步骤S2中的一对圆形电极位于矩形Bi2Te3薄膜的长边中线上，圆形电极直径为0.25 mm，电极间距为1.5 mm。一对条形电极位于矩形Bi2Te3薄膜短边的两端，大小为2 mm × 1 mm。两条形电极间距为10 mm。
在本实施例中，所述步骤S3具体包括以下步骤：
步骤S31：将样品贴在杜瓦瓶的样品座上。用银浆和银丝将样品上四个电极引线到杜瓦瓶的接线柱上；将杜瓦瓶抽真空，真空度为1帕；
步骤S32：激光器出来的光依次通过衰减片、起偏器、光弹性调制器后垂直入射在样品四个电极的中心。打在样品上的激光光斑直径为1 mm，功率为50 mW。光弹性调制器一倍频的工作频率为50 KHz，光弹性调制器的主轴方向与起偏器的偏振方向夹角为45度。光弹性调制器的位相延迟设置为0.25∙λ。其中，λ为激光器的波长。样品上的两个条形电极与直流电压源相连。通过直流电压源对样品施加稳定的纵向电场E。样品上的两个圆形电极与前置放大器相连，进行光电流的收集。光电流经过前置放大器放大后进入锁相放大器。锁相放大器的参考频率为光弹性调制器的一倍频频率，即50 KHz。光电流经过锁相放大器放大后进入数据采集卡进行采集。
步骤S33：将样品上左侧的条形电极接直流电压源的正电压输出端，将样品上右侧的条形电极接直流电压源的负电压输出端。通过电脑控制直流电压源输出-3 V至3 V的电压，步长为0.2 V。在每一个直流电压下，按步骤S32采集由圆形电极采集与光弹性调制器一倍频同频率的光电流，记为I1。
步骤S34：将样品上两对条形电极的接线对调，即将样品上右侧的条形电极接直流电压源的正电压输出端，将样品上左侧的条形电极接直流电压源的负电压输出端。通过电脑控制直流电压源输出-3 V至3 V的电压，步长为0.2 V。在每一个直流电压下，按步骤S32采集由圆形电极采集与光弹性调制器一倍频同频率的光电流，记为I2。
步骤S35：通过如下的公式（1）获得真正的光致反常霍尔电流：
IPAHE= (I1－I2)/2 公式（1）
其中，IPAHE为光致反常霍尔效应电流。I1和I2分别为由步骤S33和步骤S34测得的光电流。值得注意的是，I1对应的纵向电场和I2对应的纵向电场的绝对值是相等的，方向是相反的。
步骤S36：通过如下的公式（2）获得光致反常霍尔电导σxy：
其中，JPAHE为光致反常霍尔效应电流的电流密度，
为纵向电场，由步骤S33和S34通过直流电压源施加在条形电极上的直流电压所产生。
为电子自旋极化方向。由于光是垂直入射在样品上，因此
为垂直于样品平面的方向。
步骤S37：换不同厚度的样品，重复步骤S31-S36。
本实施例中，所述步骤S32的激光器为近红外激光器，波长为1064 nm。
具体的，本实施例采用的光致反常霍尔电流的测量光路如图1所示。在Si衬底样品以及不同厚度的三维拓扑绝缘体Bi2Te3样品上沉积钛金电极后，按步骤S31-S35，并根据公式（1）得到不同厚度的三维拓扑绝缘体Bi2Te3样品的光致反常霍尔电流随纵向电场的变化曲线，如图2所示。其中，实线为线性拟合的结果。可以看到对于单个样品，其光致反常霍尔效应电流随电场强度的增大而增大，电流符号随电场反转而反号，且二者呈良好的线性关系。对于不同厚度的样品，可以看到，厚度不同，光致反常霍尔效应电流的大小有明显区别。此外，硅衬底的信号明显小于其他碲化铋样品，证明光致反常霍尔效应电流的主要来源是Bi2Te3。
由公式（2）我们可以得到不同厚度的三维拓扑绝缘体Bi2Te3样品的光致反常霍尔电导σxy，即从图1测量的光致反常霍尔电流求出光致反常霍尔电流的电流密度JPAHE，然后，求出其对纵向电场E的斜率，再用光功率进行归一化后得到σxy，如图3所示。可见，随着三维拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜厚度的增加，光致反常霍尔电导σxy也随着增加，并在厚度为7 nm时达到最大值。当厚度进一步增大时，光致反常霍尔电导σxy减小。
光致反常霍尔电流的基本原理是如果在具有自旋轨道耦合的系统中用圆偏振光注入自旋极化载流子，那么在自旋霍尔效应作用下，会在垂直于外加电场的方向上测量到电流，即光致反常霍尔电流。在三维拓扑绝缘体材料Bi2Te3中，光致反常霍尔电流的有三种来源：上表面态、下表面态和体态。总的光致反常霍尔电流为三者的叠加。其中，上、下表面态由于自旋轨道耦合系数相反，其光致反常霍尔电流的符号也相反。通过氧化实验以及与正背入射的圆偏振光致电流的比较，我们发现这些不同厚度的Bi2Te3样品的光致反常霍尔电流的主要贡献来自上表面。
3 nm厚度的样品的信号较小，这是由于厚度越薄的样品中，上下表面态的耦合越强，从而使得光致反常霍尔电导减小；当厚度从5 nm增大到 7 nm时，光致反常霍尔电导随厚度增大而增大。这是由于样品的厚度增加，能够到达下表面的光的强度较低，使下表面贡献减小。由于我们的样品的光致反常霍尔电流主要贡献来自上表面，而上表面态和下表面态具有相反的光致反常霍尔电流，因而，下表面的贡献减小将增大净的光致反常霍尔电流。当厚度从7 nm增大到20 nm时，光致反常霍尔电流随厚度的增加而减小。这可能是由于体态的光致反常霍尔电流与上表面态反号。这样，随厚度增加，体态的贡献增大，将使总的光致反常霍尔电流降低。以上所述的具体实施例介绍了一种通过改变三维拓扑绝缘体Bi2Te3的厚度，来调控光致反常霍尔电流的方法。
综上所述，本实施例通过改变三维拓扑绝缘体Bi2Te3的厚度来实现对其光致反常霍尔电流调控的目的。通过厚度的改变，来改变上下表面态之间的耦合，同时改变上表面态、体态和下表面态之间的相对贡献的比例，利用上表面态和下表面态具有相反的光致反常霍尔电流，可以实现对三维拓扑绝缘体Bi2Te3的光致反常霍尔电流进行调控的目的。
实施例2：
在本实施例中，提供了一种三维拓扑绝缘体Bi2Te3光致反常霍尔电流的增强方法，其特征在于,包括以下步骤：
步骤S1：选择符合条件的衬底材料；
步骤S2:用分子束外延设备，在预设衬底上，生长三维拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜；
步骤S3：在三维拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜上用电子束蒸发制备两对钛/金电极，其中一对为圆形电极，另一对为条形电极；
步骤S4：根据增强系统，选取特定波长的激光器，增强步骤S2中不同厚度三维拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜的光致反常霍尔电流。
本实施例中，采用1064 nm的激光器，通过调节衰减片将入射到样品上的光功率分别调为10、20、30、40、50 mW，在每一个光功率测量得到不同光功率下的光致反常霍尔电流随纵向电场的变化曲线，如图4所示。
同样的，采用1342 nm的激光器进行测量。这是因为1342 nm的激光的光子能量小于Si的带隙，Si衬底不会吸收1342 nm的激光，因此不会有衬底注入的效应。因此，将激光器换成1342 nm的激光器，光功率设置为60、90、120、150、180 mW，可以得到不同光功率的1342nm光激发下的光致反常霍尔电流随纵向电场的变化曲线如图6所示。
为了更好的比较有无衬底注入时的光致反常霍尔电流，本实施例通过以下公式（2）计算出光致反常霍尔电导σxy：
其中，JPAHE为光致反常霍尔效应电流的电流密度，
为纵向电场，
为电子自旋极化方向。由于光是垂直入射在样品上，因此
为垂直于样品平面的方向。
图4为厚度为7 nm 的Bi2Te3样品在室温下，由光功率为50 mW、波长为1064 nm的激光激发产生的IPAHE随纵向电场强度E的变化曲线。可见，其光致反常霍尔效应电流随电场强度的增大而增大，电流符号随电场反转而反号，且二者呈良好的线性关系。在不同功率的激发下，可以看到，激发光功率越大，光致反常霍尔电流的大小随之变大，这是因为更强的光强度激发了更多的自旋极化载流子，从而增大了光致反常霍尔电流。
图5为1064 nm激光激发下，不同厚度的三维拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜的光致反常霍尔电导随厚度的变化曲线。该光电导已经用光功率进行了归一化处理。图4为1342 nm激光激发下，不同厚度的三维拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜的光致反常霍尔电导随厚度的变化曲线，光电导同样也已经用光功率进行了归一化处理。对比图3和图4，我们发现1064 nm激光激发下产生的光致反常霍尔电导要比1342 nm激光激发下的大了约一个数量级。由于光致反常霍尔电导与光致反常霍尔电流成正比，因此，1064 nm激光激发下产生的光致反常霍尔电流也要比1342 nm激光激发下的大了约一个数量级。从图4-6可以看出，硅衬底的信号在相同条件下明显小于Bi2Te3材料，证明光致反常霍尔电流信号主要来源于Bi2Te3，而不是衬底。
图7和图8分别为厚度为7 nm的三维拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜在1064 nm 和1342 nm波长的激光激发下产生的光致反常霍尔电流随纵向电场的变化曲线。可以看出，1064 nm激光激发下产生的光致反常霍尔电流要比1342 nm激光激发下的大了约一个数量级。
图9和图10分别为在单位纵向电场E下，不同厚度的三维拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜在1064 nm和1342 nm波长的激光激发下产生的光致反常霍尔电流。可以看出，1064 nm激光激发下产生的光致反常霍尔电流要比1342 nm激光激发下的光致反常霍尔电流要大得多。1064 nm激光激发产生的光致反常霍尔电流比1342 nm激光激发产生的光致反常霍尔电流大得多，表明衬底的自旋注入极大的增强的光致反常霍尔电流。下面我们来解释一下这其中的物理原因。
图11为三维拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜的能带示意图。其中，CB1和CB2分别表示第一导带和第二导带，VB1和VB2分别表示第一价带和第二价带，SS1和SS2分别表示第一表面态和第二表面态，EF表示费米能级，kx 表示x方向的动量空间波矢。红色和蓝色的箭头表示自旋方向。黑色的箭头表示光学跃迁。+1/2和－1/2表示电子的角动量。可以看到，三维拓扑绝缘体Bi2Te3有两个表面态，分别为SS1和SS2，SS2比SS1高约1.5 eV。在1064 nm或1342 nm的圆偏振光激发下，在Bi2Te3薄膜的上下表面同时发生两种自旋极化电子的跃迁行为：（1）电子从第一表面态跃迁到第二表面态，如图中的实线黑色箭头所示；（2）电子从第一导带跃迁到第二表面态，如图中的虚线黑色箭头所示。这两种跃迁会导致电子的角动量由j = +1/2变为j =－1/2。同时，在Bi2Te3的体态中，电子会从第一导带跃迁到第二价带。我们可以看到上下表面态产生的自旋极化载流子的自旋极化方向是相同的，由于上下表面态的自旋轨道耦合系数相反，因此其光致反常霍尔电流的符号也相反。体态的贡献通常较小，因为体态的自旋轨道耦合强度远小于表面态。我们测得的光致反常霍尔电流是上表面态、体态和下表面态的光致逆自旋霍尔电流的叠加。通过对比上表面态进行氧化以及对比正面入射和背面入射的圆偏振光致电流数据，我们发现对于我们的Bi2Te3薄膜样品，我们测得的光致反常霍尔电流主要来自上表面态的光致反常霍尔电流的贡献。
图12为Si衬底自旋注入的能带示意图。在1064 nm波长的光激发下，由于所使用的Bi2Te3样品厚度较薄，仍然有大量的光可以到达Si衬底。这样，在1064 nm圆偏振光的激发下，Si衬底中价带的电子将会跃迁到导带，产生自旋极化的载流子，如图12中红色箭头所示。根据角动量守恒，考虑到价带中存在轨道角动量，而导带电子或表面态上的电子没有轨道角动量，因此在相同手性的圆偏振光激发下，上下表面态中产生的电子的自旋极化的方向与Si中产生的是相反的。Si衬底中产生的自旋极化的载流子将会注入到紧邻的Bi2Te3薄膜中，如图12中黑色箭头所示。由于价带空穴的迁移率小于导带电子，因此，空穴的注入的数量相比于导带电子注入数量要少得多，所以我们忽略价带空穴的注入。由于Bi2Te3薄膜体态电子的自旋扩散长度很短，因此注入的电子难以扩散到上表面，主要影响拓扑绝缘体的下表面，如图中蓝色箭头所示。由于注入的电子的自旋极化的方向与下表面态的电子自旋极化方向相反，因此自旋注入将会抵消下表面态的光致反常霍尔电流，从而使得下表面态的光致反常霍尔电流减小。由于总的光致反常霍尔电流是上下表面态信号的叠加，而没有自旋注入时主要是上表面态的贡献占主导，因此，下表面态信号的减小将使得总的光致反常霍尔电流增大。
1342 nm波长的光不会被硅衬底吸收，在硅的体态中无法发生带间跃迁，对Bi2Te3的下表面没有自旋注入作用，从而导致上、下表面对光致反常霍尔电流贡献的抵消作用明显，因而净电流减小了一个数量级。1342 nm光激发的能级跃迁与1064 nm光激发产生的能级跃迁是相似的，因此二者能量不同带来的跃迁差异引入的光致反常霍尔电流的差别是较小的，不足以产生一个数量级的差别。因此，1342 nm光激发产生的光致反常霍尔电流比1064 nm光激发产生的光致反常霍尔电流小一个数量级的实验事实表明衬底自旋注入能够极大的增强三维拓扑绝缘体Bi2Te3的光致反常霍尔电流。
本实施例，采用光子能量大于衬底带隙的圆偏振光来激发衬底产生自旋极化载流子，通过衬底的自旋极化载流子向三维拓扑绝缘体Bi2Te3的自旋注入来增强光致反常霍尔电流的技术方案。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (9)
1.一种三维拓扑绝缘体Bi2Te3光致反常霍尔电流的增强方法，其特征在于,包括以下步骤：
步骤S1：选择符合条件的衬底材料；
步骤S2:用分子束外延设备，在预设衬底上，生长三维拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜；
步骤S3： 在三维拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜上用电子束蒸发制备两对钛/金电极，其中一对为圆形电极，另一对为条形电极；
步骤S4：根据增强系统，选取特定波长的激光器，增强步骤S2中不同厚度三维拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜的光致反常霍尔电流。
2.根据权利要求1所述的三维拓扑绝缘体Bi2Te3光致反常霍尔电流的增强方法，其特征在于，所述衬底材料为沿（111）晶面生长的绝缘Si衬底，且没有掺杂，费米能级在带隙中间。
3.根据权利要求1所述的三维拓扑绝缘体Bi2Te3光致反常霍尔电流的增强方法，其特征在于，所述激光器采用1064 nm的激光器。
4.根据权利要求1所述的三维拓扑绝缘体Bi2Te3光致反常霍尔电流的增强方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：
步骤S41:将样品贴在杜瓦瓶的样品座上;
用银浆和银丝将样品上四个电极引线到杜瓦瓶的接线柱上,并将杜瓦瓶抽真空；
步骤S42：激光器出来的光依次通过衰减片、起偏器、光弹性调制器后垂直入射在样品四个电极的中心；样品上的两个条形电极与直流电压源相连；通过直流电压源对样品施加稳定的纵向电场E；样品上的两个圆形电极与前置放大器相连，进行光电流的收集；光电流经过前置放大器放大后进入锁相放大器；光电流经过锁相放大器放大后进入数据采集卡进行采集；
步骤S43：将样品上左侧的条形电极接直流电压源的正电压输出端，将样品上右侧的条形电极接直流电压源的负电压输出端，通过电脑控制直流电压源输出-3 V至3 V的电压，步长为0.2 V；在每一个直流电压下，按步骤S42由圆形电极采集与光弹性调制器一倍频同频率的光电流，记为I1；
步骤S44：将样品上两对条形电极的接线对调，即将样品上右侧的条形电极接直流电压源的正电压输出端，将样品上左侧的条形电极接直流电压源的负电压输出端；通过电脑控制直流电压源输出-3 V至3 V的电压，步长为0.2 V；在每一个直流电压下，按步骤S42由圆形电极采集与光弹性调制器一倍频同频率的光电流，记为I2；
步骤S45：根据得到的I1和I2，计算得到的真正的光致反常霍尔电流和光致反常霍尔电导。
5.根据权利要求4所述的三维拓扑绝缘体Bi2Te3光致反常霍尔电流的增强方法，其特征在于，所述步骤S45具体为：
通过式（1）获得真正的光致反常霍尔电流：
IPAHE=(I1－I2)/2 （1）
其中，IPAHE为光致反常霍尔电流；I1和I2分别为由步骤S43和步骤S44测得的光电流；
通过式（2）获得光致反常霍尔电导σxy：
其中，JPAHE为光致反常霍尔效应电流的电流密度，
为纵向电场，由步骤S43和S44通过直流电压源施加在条形电极上的直流电压所产生；
为电子自旋极化方向。
6.根据权利要求1所述的三维拓扑绝缘体Bi2Te3光致反常霍尔电流的增强方法，其特征在于，所述增强系统包括激光器、衰减片、起偏器、光弹性调制器和待测样品；所述待测样品设有一对条形电极和一对圆形电极；所述条形电极与直流电压源相连；所述圆形电极与前置放大器，进行光电流收集；所述前置放大器通过锁相放大器连接光弹性调制器；所述激光器出来的光依次通过衰减片、起偏器、光弹性调制器后垂直入射在样品四个电极的中心。
7.根据权利要求1所述的三维拓扑绝缘体Bi2Te3光致反常霍尔电流的增强方法，其特征在于，所述三维拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜的厚度在3到50纳米之间，其费米能级位于体导带中，且表面态能带为无能隙狄拉克型电子态，上表面态产生光致反常霍尔电流的效率高于下表面态。
8.根据权利要求1所述的三维拓扑绝缘体Bi2Te3光致反常霍尔电流的增强方法，其特征在于，所述光致反常霍尔电流的测量温度为300 K；所述光弹性调制器的主轴方向与起偏器的偏振方向夹角为45度；所述光弹性调制器的位相延迟设置为0.25∙λ，其中，λ为激光器的波长。
9.根据权利要求1所述的三维拓扑绝缘体Bi2Te3光致反常霍尔电流的增强方法，其特征在于，所述激光器采用可见或近红外激光器，且其光子能量大于衬底材料的带隙。
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