CN111487475A - 一种无源低功耗的微波检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种无源低功耗的微波检测方法，检测用反铁磁拓扑绝缘体层包括反铁磁拓扑绝缘体层、设置在本征的反铁磁拓扑绝缘体层上的一对分离的电极层；所述反铁磁拓扑绝缘体层为反铁磁材料的薄膜、纳米片或纳米线；所述反铁磁拓扑绝缘体层为拓扑绝缘体材料的薄膜、纳米片或纳米线；结合其反铁磁原子层+拓扑表面态两者特性，在微波能量下，反铁磁拓扑绝缘体层中自旋发生进动产生自旋流，拓扑表面态具有将自旋流在表面上自发产生定向的电荷流；通过电极检测表面态中的这一定向的电荷流，实现微波作用条件的无源低功耗探测。由于多层反铁磁拓扑绝缘体层，微波检测灵敏度可成倍地增加。拓扑表面态表现出强鲁棒性和低耗散的电流传输特性，降低了微波检测功耗。
Description
技术领域
本发明涉及自旋电子器件领域，尤其是涉及一种无源低功耗的微波检测方法。
背景技术
自旋电子学不仅利用了电子电荷的相关知识，还利用了电子自旋的一些理论。自旋电子学的优势包括低功耗、更少的能源需求、具有较强竞争力的数据传输能力和较大的存储容量。它已被用于各种信息处理设备、存储器和内存设备—尤其是应用在超高密度硬盘驱动器和非易失性存储器。
早在1940年，人们就意识到了自旋共振的存在。在外磁场上，磁矩会发生进动，就像陀螺一样。这种自旋共振从量子的角度理解，就是在磁场作用下，自旋发生赛曼劈裂，不同的自旋方向，能量不同，对于铁磁体，这个能量的差异正好在微波频段。因此，当微波频率正好与这个能量的差异相同，就会发生共振吸收，从而微波被探测到。
最直接的微波探测方案就是测量一般磁性金属吸收微波后的电阻变化。其基本工作原理是：磁矩在微波交流磁场作用下进动，导致电阻交流变化，它与微波电流发生耦合，由于电流和电阻的频率一样，两者相乘之后就可以得到一个直流电压信号，从而把微波信号转化为直流信号而被检测。这种器件非常简单，而且具有可扩展性，很容易优化。这种最简单结构很明显的缺点就是磁电阻很小。我们知道一般磁性金属的磁电阻经常只有百分之几，灵敏度低。
更大磁电阻的体系这种器件采用三种材料，两个磁性层，一层磁矩是固定的，另外一层磁矩是自由。这种三层膜结构的特点是电阻大小和两层铁磁体磁矩的相对夹角相关。由于这个体系的磁电阻很大，室温下磁电阻可以达到300％，比磁性金属的磁电阻大1万倍，因此检测的效率就可能大大增强。但这里主要采用铁磁金属系统，所以系统的功耗很高。
因此，基于铁磁金属的现有的微波检测方法需要进一步的改进。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种无源低功耗的微波检测方法。以及提供检测用反铁磁拓扑绝缘体层的制备。
本发明的技术方案包括：一种无源低功耗的微波检测方法，采用如下检测结构材料：检测用反铁磁拓扑绝缘体层包括反铁磁拓扑绝缘体层、设置在本征的反铁磁拓扑绝缘体层上的一对分离的电极层；所述反铁磁拓扑绝缘体层为反铁磁材料的薄膜、纳米片或纳米线；所述反铁磁拓扑绝缘体层为拓扑绝缘体材料的薄膜、纳米片或纳米线；结合其反铁磁原子层+拓扑表面态两者特性，在微波能量下，反铁磁层具有在微波能量下的产生自旋流的特性；反铁磁拓扑绝缘体层中自旋发生进动产生自旋流，拓扑表面态具有将自旋流在表面上自发产生定向的电荷流；通过电极检测表面态中的这一定向的电荷流，实现微波作用条件的无源低功耗探测。
1个反铁磁原子层/拓扑表面态层(即反铁磁拓扑绝缘体层)构成双(层)结构在微波能量下形成定向电荷流I；或n层反铁磁原子层/拓扑表面态的双(层)结构在微波能量下形成定向电荷流n*I，微波检测灵敏度能成倍地增加；n取2-3000甚至更多。
能够制备任意层的反铁磁拓扑绝缘体层或任意个反铁磁原子层/拓扑表面态的双层结构，反铁磁原子层/拓扑表面态层为MnBi2Te4。反铁磁拓扑绝缘体层的制备，先获得反铁磁拓扑绝缘体单晶：通过高温熔融法获得。将Mn、Bi、Te的粉末按1：2：4的原子比例放入石英管，再将石英管垂直放入马弗炉中，通过12小时升到950摄氏度，在950摄氏度保持12小时，再通过3000分钟降到585摄氏度，保持24小时后，降到室温，得到MnBi2Te4；
任意层MnBi2Te4的反铁磁拓扑绝缘体层或任意个反铁磁原子层/拓扑表面态层的双层结构通过分子束外延、机械剥离法、高温熔融法、脉冲激光沉积或化学气相沉积等方法形成。
反铁磁拓扑绝缘体层、反铁磁原子层和拓扑表面态层是块材、薄膜、纳米片或纳米线；包括反铁磁层2和拓扑绝缘体层3的异质结构、设置在反铁磁层2和拓扑绝缘体层3的异质结构上的一对分离的电极层4。
制备本征的反铁磁拓扑绝缘体层或堆垛反铁磁层/拓扑绝缘体层的异质结构，结合反铁磁原子层+拓扑表面态两者的特性，在微波作用下反铁磁层中的自旋会发生进动产生自旋流，由于拓扑表面态自旋动量锁定的特征，反铁磁层中自旋流会自发产生定向的电荷流。通过检测这一定向的低耗散电荷流，从而实现微波的无源低功耗探测。由于本征的反铁磁拓扑绝缘体可以视为由反铁磁层/拓扑绝缘体层异质结构的周期性堆垛而成，因此微波产生的自旋流会成倍累加，大大增加了微波检测的灵敏度。此外拓扑表面态表现出强鲁棒性和低耗散的电流传输特性，进一步降低了微波检测的功耗。
本发明的一个实施例中，所述本征的反铁磁拓扑绝缘体层为本征的反铁磁拓扑绝缘体材料的薄膜、纳米片或纳米线。
本发明的一个实施例中，所述反铁磁层为反铁磁材料的薄膜、纳米片或纳米线。
本发明的一个实施例中，所述拓扑绝缘体层为拓扑绝缘体材料的薄膜、纳米片或纳米线。
本发明的一个实施例中，采用本征的反铁磁拓扑绝缘体层进行微波检测。
本发明的一个实施例中，采用反铁磁层/拓扑绝缘体层的异质结构进行微波检测。
本发明的一个实施例中，利用本征的反铁磁拓扑绝缘体层表面态的自旋动量锁定，由微波能量在本征的反铁磁拓扑绝缘体层中产生的自旋流，被转换为电压，从而实现微波信号的无源检测。
本发明的一个实施例中，利用拓扑绝缘体层表面态的自旋动量锁定，
由微波能量在反铁磁层中产生的自旋流，被转换为电压，从而实现微波信号的无源检测。
本发明的一个实施例中，采用反铁磁层/拓扑绝缘体层的异质结构的周期性堆垛，利用每层拓扑绝缘体层表面态的自旋动量锁定，由微波能量在每层反铁磁层中产生的自旋流，由于自旋流的叠加效应，从而实现微波检测信号的成倍放大。本发明的实施例的一种无源低功耗的微波检测方法中，采用本征的反铁磁拓扑绝缘体层或堆垛反铁磁层/拓扑绝缘体层的异质结构，既充分利用了拓扑表面态表现出强鲁棒性以及独一无二的电学传输特性，又利用了反铁磁层的微波共振，使得这种结构能实现无源的更低功耗的微波检测。在频率0.3GHz以上，功率nW以上均可。由于多层的反铁磁拓扑绝缘体层可视为由反铁磁原子层/拓扑表面态层双层结构的周期性堆垛而成，因此微波检测灵敏度可以成倍地增加。此外拓扑表面态表现出强鲁棒性和低耗散的电流传输特性，进一步降低了微波检测的功耗。
附图说明
图1是本征的反铁磁拓扑绝缘体层的器件结构侧视示意图。
图2是单层本征的反铁磁拓扑绝缘体层的无源低功耗的微波检测的侧视示意图。
图3是多层本征的反铁磁拓扑绝缘体层的无源低功耗的微波检测的侧视示意图。
图4是堆垛反铁磁层/拓扑绝缘体层的异质结的器件结构侧视示意图。
具体实施方式
下面将结合附图详细说明本发明的实施例的无源低功耗的微波检测方法的具体实施。
如图1至3所示，本发明的一个实施例中，一种无源低功耗的微波检测方法的结构包括本征的反铁磁拓扑绝缘体层1、设置在本征的反铁磁拓扑绝缘体层1上的电极层4。
如图4所示，本发明的一个实施例中，一种无源低功耗的微波检测方法的结构包括反铁磁层2和拓扑绝缘体层3的异质结构、设置在反铁磁层2和拓扑绝缘体层3的异质结构上的电极层4。
本发明的一个实施例中，前述的本征的反铁磁拓扑绝缘体层可以是本征的反铁磁拓扑绝缘体层的薄膜。本发明的其他的实施例中，本征的反铁磁拓扑绝缘体层也可以是纳米片、纳米线或纳米线阵列等等。
本发明的一个实施例中，前述的本征的反铁磁拓扑绝缘体层可以是单层的。本发明的其他的实施例中，本征的反铁磁拓扑绝缘体层也可以是多层的。
本发明的一个实施例中，前述的反铁磁层可以是反铁磁层的薄膜。本发明的其他的实施例中，反铁磁层也可以是纳米片、纳米线或纳米线阵列等等。
本发明的一个实施例中，前述的拓扑绝缘体层可以是拓扑绝缘体层的薄膜。本发明的其他的实施例中，拓扑绝缘体层也可以是纳米片、纳米线或纳米线阵列等等。
本发明的一个实施例中，前述的电极层可以是金。本发明的其他的实施例中，电极层也可以是银、铜、铂、镍、铟层或者其他适合的导电材料的电极层。
本发明的一个实施例中，前述的本征的反铁磁拓扑绝缘体层可以通过脉冲激光沉积、分子束外延、机械转移或化学气相沉积等方法形成。
本发明的一个实施例中，前述的反铁磁层可以通过电子束蒸发、磁控溅射、热蒸镀、脉冲激光沉积或分子束外延等方法形成。
本发明的一个实施例中，前述的拓扑绝缘体层可以通过电子束蒸发、磁控溅射、热蒸镀、脉冲激光沉积或分子束外延等方法形成。
本发明的一个实施例中，在微波5(毫米波均可，功率为0.1-1μW)作用下，发生反铁磁自旋共振，形成自旋流，由于表面态的自旋轨道耦合作用，会在本征的反铁磁拓扑绝缘体层中自发形成电流6，如图2所示。
本发明的一个实施例中，在微波5作用下，多层的本征的反铁磁拓扑绝缘体层中每层都会贡献电流6，可以起到检测信号放大的作用，如图3所示。既充分利用了拓扑表面态表现出强鲁棒性以及独一无二的电学传输特性，又利用了反铁磁层的微波共振，使得这种结构能实现无源的更低功耗的微波检测。
下面简要描述几个制造本发明一些实施例的无源低功耗的微波检测方法的实例。
实施例1：
(1)选用单晶硅作为衬底，用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗。
(3)本征的反铁磁拓扑绝缘体单晶通过高温熔融法获得。将Mn、Bi、Te的粉末按1：2：4的原子比例放入石英管，再将石英管垂直放入马弗炉中，通过12小时升到950摄氏度，在950摄氏度保持12小时，再通过3000分钟降到585摄氏度，保持24小时后，降到室温。得到MnBi2Te4块材。
(2)不同层数的本征的反铁磁拓扑绝缘体纳米片通过机械剥离法获得。利用胶带解离MnBi2Te4块材，获得薄层拓扑绝缘体，转移到单晶硅衬底上。制备的薄层拓扑绝缘体厚度5～10nm，长度10-50μm，宽度5-30μm。
(5)在步骤(4)所得的结构上制备电极层5；在金属钯纳米线的两端沉积金电极。蒸镀时，腔体真空度10-4Pa，衬底温度20℃，沉积速率
制备的金电极厚度50-100nm。
实施例2：
(1)选用单晶硅作为衬底，用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗。
(3)本征的反铁磁拓扑绝缘体单晶通过高温熔融法获得。将Mn、Bi、Te的粉末按1：2：4的比例放入石英管，再将石英管垂直放入马弗炉中，通过12小时升到950摄氏度，在950摄氏度保持24小时，再通过3000分钟降到585摄氏度，保持24小时后，降到室温。
(2)不同层数的本征的反铁磁拓扑绝缘体纳米片通过机械剥离法获得。利用胶带解离MnBi2Te4块材，获得多层拓扑绝缘体，转移到单晶硅衬底上。制备的多层拓扑绝缘体厚度10～100nm，长度10-50μm，宽度5-30μm。
(5)在步骤(4)所得的结构上制备电极层5；在金属钯纳米线的两端沉积镍电极。蒸镀时，腔体真空度10-4Pa，衬底温度20℃，沉积速率
制备的镍电极厚度50-100nm。
以上通过具体的实施例对本发明进行了说明，但本发明并不限于这些具体的实施例。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。此外，以上多处所述的“一个实施例”表示不同的实施例，当然也可以将其全部或部分结合在一个实施例中。
Claims (5)
1.一种无源低功耗的微波检测方法，其特征是，检测用反铁磁拓扑绝缘体层包括反铁磁拓扑绝缘体层、设置在本征的反铁磁拓扑绝缘体层上的一对分离的电极层；所述反铁磁拓扑绝缘体层为反铁磁材料的薄膜、纳米片或纳米线；所述反铁磁拓扑绝缘体层为拓扑绝缘体材料的薄膜、纳米片或纳米线；结合其反铁磁原子层+拓扑表面态两者特性，在微波能量下，反铁磁层具有在微波能量下的产生自旋流的特性；反铁磁拓扑绝缘体层中自旋发生进动产生自旋流，拓扑表面态具有将自旋流在表面上自发产生定向的电荷流；通过电极检测表面态中的这一定向的电荷流，实现微波作用条件的无源低功耗探测。
2.根据权利要求1所述的一种无源低功耗的微波检测方法，其特征在于，1个反铁磁原子层/拓扑表面态层(即反铁磁拓扑绝缘体层)的双层结构在微波能量下形成定向电荷流I；或n个反铁磁原子层/拓扑表面态的双层结构在微波能量下形成定向电荷流n*I，微波检测灵敏度能成倍地增加；n取2-3000。
3.根据权利要求1和2所述的一种无源低功耗的微波检测方法，其特征在于，能够制备任意层的反铁磁拓扑绝缘体层或任意个反铁磁原子层/拓扑表面态的双层结构，反铁磁原子层/拓扑表面态层为MnBi2Te4。
4.根据权利要求3所述的一种无源低功耗的微波检测方法，其特征在于，检测用反铁磁拓扑绝缘体层的制备步骤，先获得反铁磁拓扑绝缘体单晶：通过高温熔融法获得。将Mn、Bi、Te的粉末按1：2：4的原子比例放入石英管，再将石英管垂直放入马弗炉中，通过12小时升到950摄氏度，在950摄氏度保持12小时，再通过3000分钟降到585摄氏度，保持24小时后，降到室温，得到MnBi2Te4；
任意层MnBi2Te4的反铁磁拓扑绝缘体层或任意个反铁磁原子层/拓扑表面态层的双层结构通过分子束外延、机械剥离法、高温熔融法、脉冲激光沉积或化学气相沉积等方法形成。
5.根据权利要求3所述的一种无源低功耗的微波检测方法，其特征在于，反铁磁拓扑绝缘体层、反铁磁原子层和拓扑表面态层是块材、薄膜、纳米片或纳米线；包括反铁磁层2和拓扑绝缘体层3的异质结构、设置在反铁磁层2和拓扑绝缘体层3的异质结构上的一对分离的电极层4。
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| CN202010220940.7A CN111487475A (zh) | 2020-03-26 | 2020-03-26 | 一种无源低功耗的微波检测方法 |
Publications (1)
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| CN111487475A true CN111487475A (zh) | 2020-08-04 |
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202010220940.7A Withdrawn CN111487475A (zh) | 2020-03-26 | 2020-03-26 | 一种无源低功耗的微波检测方法 |
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| CN (1) | CN111487475A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110726736A (zh) * | 2019-10-18 | 2020-01-24 | 南京大学 | 一种无源低功耗的微波检测方法及其装置和制备方法 |
| CN112002760A (zh) * | 2020-08-28 | 2020-11-27 | 河南师范大学 | 一种基于MnBi2Te4单层的纳米尺度场效应晶体管 |
| CN112363096A (zh) * | 2020-09-28 | 2021-02-12 | 南京大学 | 一种基于磁性拓扑绝缘体薄膜的磁传感器制备方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20080121962A1 (en) * | 2006-08-31 | 2008-05-29 | Micron Technology, Inc. | Tantalum aluminum oxynitride high-k dielectric and metal gates |
| CN110044476A (zh) * | 2019-04-04 | 2019-07-23 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 一种基于反铁磁非磁金属异质结的太赫兹探测器 |
| CN110726736A (zh) * | 2019-10-18 | 2020-01-24 | 南京大学 | 一种无源低功耗的微波检测方法及其装置和制备方法 |
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-
2020
- 2020-03-26 CN CN202010220940.7A patent/CN111487475A/zh not_active Withdrawn
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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