CN113884953A - 一种磁性晶圆和自旋电子器件成像和演示系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种磁性晶圆和自旋电子器件成像和演示系统，包括磁性晶圆磁光克尔成像模块，自旋电子器件磁光克尔成像模块和计算机；所述磁性晶圆磁光克尔成像模块包括光源I，起偏器I，透镜元件，磁性晶圆，检偏器I，透镜组II和相机I；所述相机I与所述计算机连接；所述自旋电子器件磁光克尔成像模块包括光源II，透镜组III，起偏器II，分束镜，物镜，自旋电子器件，检偏器II和相机II。所述系统还包括电源模块和电压测量模块。本发明提供的成像和演示系统可以同时演示磁性晶圆和自旋电子器件内部的磁化状态，实现大视野成像，并且同时实现自旋电子器件的电流成像，可以实现电流和磁化状态的同步对比，直观展示自旋电子器件的工作原理。

Description

一种磁性晶圆和自旋电子器件成像和演示系统

技术领域

本发明属于电子器件测试和演示设备领域，尤其涉及一种晶圆和电子器件的性质成像和教学演示系统。

背景技术

晶圆是指制作硅半导体电路所用的晶片，在晶圆上镀上磁性薄膜及其它辅助膜层形成磁性晶圆，磁性晶圆对磁场非常敏感，是制造自旋电子芯片的基础材料。目前对磁性晶圆的检测主要通过激光的单点测试配合扫描成像技术来实现，尤其是对大片的磁性晶圆需要较长的检测时间，无法做到大视野全局一次性成像，也无法观测磁性薄膜的磁化状态。

自旋电子器件也叫磁性器件，是众多电子器件中非常重要的一类，可以用于信息储存，磁场的传感等，在信息社会应用越来越广泛，将自旋电子器件封装后，就制作成自旋电子芯片。宏观上看，电子的自旋是物质磁性的主要来源。但是对于大多数学生来说，电子自旋是一个非常陌生的概念，因为目前电子自旋无法在直观上得到演示，这给自旋电子学的教学和相关知识的普及带来很大的障碍，不利于自旋电子学的发展。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种磁性晶圆和自旋电子器件成像和演示系统，同时将磁性晶圆和自旋电子器件内部的磁化状态以成像的方式展示出来，实现大视野实时成像，同时展示电学测试信号，实现和磁化状态的同步对比。

本发明提供了一种磁性晶圆和自旋电子器件成像和演示系统，包括磁性晶圆磁光克尔成像模块，自旋电子器件磁光克尔成像模块和计算机；

所述磁性晶圆磁光克尔成像模块包括光源I，起偏器I，透镜元件，磁性晶圆，检偏器I，透镜组II和相机I；所述光源I提供入射光，入射光依次通过起偏器I，透镜元件，照射到磁性晶圆上，磁性晶圆反射后的光依次通过检偏器I，透镜组II和相机I，所述相机I与所述计算机连接；

所述自旋电子器件磁光克尔成像模块包括光源II，透镜组III，起偏器II，分束镜，物镜，自旋电子器件，检偏器II和相机II；所述光源II提供入射光，入射光依次通过透镜组III，起偏器II，分束镜，物镜，照射到自旋电子器件上，自旋电子器件反射后的光依次通过物镜，分束镜，检偏器II和相机II，所述相机II与计算机连接。

优选的，所述系统还包括电源模块和电压测量模块，所述电源模块用于向自旋电子器件提供稳定电流或者电压，所述电压测量模块用于测量自旋电子器件指定引脚之间的电压差；所述电源模块和电压测量模块分别与所述自旋电子器件连接，所述电压测量模块与计算机连接。

优选的，所述起偏器I和所述检偏器I为可旋转设置或为固定设置；所述起偏器II和所述检偏器II为可旋转设置或为固定设置。

优选的，所述透镜组II的长度为0.1～1m；所述透镜组II的焦距为0.06～3m；所述透镜组II为远心透镜组。

本发明选用透镜组II的长度为0.1～1m，在实现透镜组在本系统功能的前提下，可以保证系统体积与重量合适。本发明选用透镜组II的焦距为0.06～3m，用于增大成像视野，可以减小系统体积与重量。发明人发现使用透镜组II为远心透镜组可以进一步增大成像视野。

优选的，所述透镜元件和所述起偏器I的位置互换。

本发明第二方面提供了所述磁性晶圆和自旋电子器件成像和演示系统的成像和演示方法，包括以下内容，打开光源I，计算机上显示磁性晶圆的图像，将磁铁的一端靠近磁性晶圆远离检偏器I的一侧，磁铁在与磁性晶圆对应的范围内运动时，计算机上会显示磁铁运动的路径，或者整个晶圆范围内出现图像颜色或者灰度变化，表示磁性翻转；用磁铁的另一端靠近磁性晶圆，计算机显示磁性晶圆的成像恢复原状态；

打开光源II，计算机上显示自旋电子器件的成像，将磁铁靠近自旋电子器件远离物镜的一侧，计算机上中央的核心区域颜色发生变化，同时计算机显示自旋电子器件的电压值；当用磁铁的另一端靠近自旋电子器件时，计算机显示自旋电子器件恢复原状态。

优选的，所述计算机的成像和演示时图像处理方法使用作差法。

优选的，所述磁铁的另一端连接有控制部，用于操作者控制磁铁运动。

本发明第三方面提供了所述的成像和演示系统的应用。

优选的，所述应用为用于教学演示、写字或画画。

与现有技术相比，本发明的优点和有益效果为：

(1)本发明提供了一种磁性晶圆和自旋电子器件成像和演示系统，所述系统能够通过磁光克尔效应，通过上述的装置结构和方法，将磁性晶圆和自旋电子器件内部的磁化状态以成像的方式展示出来，可以快速探测磁性晶圆的性质，实现大视野实时成像，并且同时实现自旋电子器件的电流成像，可以展示电学测试信号，可以和磁化状态同步对比，直观展示自旋电子器件的工作原理。

(2)本发明的成像和演示系统可以起到教学辅助的作用，已经应用于本科生教学和各年级学生的参观，用于讲解自旋电子学和芯片的相关知识，由于它能够直观地为学生展示磁性晶圆和自旋电子器件的工作原理，使抽象概念变得直观，加快了学生对自旋电子这一陌生概念的理解，也为学生们了解芯片提供一个全新的视角。

(3)通过本发明的成像和演示系统，学生可以亲自用磁铁在靠近磁性晶圆一侧附近写字画画，还可以随时擦除，增加了体验感和提高了学习的趣味性。学生可以用磁铁尝试反转自旋电子器件，同时观察电信号的变化，互动性好，能够极大提高学生的学习热情，引导他们探索磁学、自旋电子学知识或者芯片制造技术，还可以广泛用于为普通民众和科技爱好者普及自旋电子相关知识，有助于科学的进步和国家的发展。本发明的成像和演示系统还可以作为一种画画工具，像沙画一样，可随时擦除，用于艺术和娱乐领域。

附图说明

图1为本发明磁性晶圆和自旋电子器件成像和演示系统结构示意图；

图2为本发明磁性晶圆和自旋电子器件成像和演示系统的演示方法流程图；

图3为本发明磁性晶圆和自旋电子器件成像和演示系统的另一种结构示意图。

其中，1、磁性晶圆模块，11、光源I，12、起偏器I，13、透镜元件，14、磁性晶圆，15、检偏器I，16、透镜组II，17、相机I，2、自旋电子器件模块，21、光源II，22、透镜组III，23、起偏器II，24、分束镜，25、物镜，26、自旋电子器件，27、检偏器II，28、相机II，3、计算机，4、电流模块，5、电压测量模块，6、计算机I，7、计算机II。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细的说明。

本发明的磁性晶圆和自旋电子成像和演示系统，包括磁性晶圆模块1，自旋电子器件模块2，计算机3，电源模块4和电压测量模块5。

所述磁性晶圆模块1包括光源I11，起偏器I12，透镜元件13，磁性晶圆14，检偏器I15，透镜组II16和相机I17。所述磁性晶圆的表面镀制了一层具有垂直磁各向异性的磁性薄膜。所述磁性薄膜的厚度为0.1nm～100nm。

所述透镜元件为透镜或者透镜组I。

所述光源I11提供入射光，入射光依次通过起偏器I12，透镜元件13，照射到磁性晶圆14的磁性薄膜上，光经磁性晶圆14反射，光的偏振角度发生变化，依次通过检偏器I15，透镜组II16和相机I17，所述相机I17与所述计算机3连接，在计算机3上显示成像。

所述透镜组II16的长度为0.1～1m。所述透镜组II16的焦距为0.06～3m。所述透镜组II16为远心透镜组，本发明的透镜组II16可以让晶圆成像保持整体清晰。

所述检偏器I15的尺寸应保证使所有被磁性晶圆14反射的光束都通过检偏器I15。

在一种实施例中，所述起偏器I12和所述检偏器I15为固定设置。

在另一种实施例中，所述起偏器I12和所述检偏器I15为可旋转设置，可以调整起偏器I12和所述检偏器I15的角度。

在另一种实施例中，本发明中所述透镜元件13和起偏器I12的位置可以互换。

所述自旋电子器件模块2包括光源II21，透镜组III22，起偏器II23，分束镜24，物镜25，自旋电子器件26，检偏器II27和相机II28。自旋电子器件26由硅片上的磁性薄膜加工制得，中间为核心的磁性微结构，磁性微结构表面为磁性膜层，与磁性晶圆14的磁性膜层功能相同，磁性微结构的边缘连接电极。

所述光源II21提供入射光，依次通过透镜组III22，起偏器II23，分束镜24，物镜25，照射到自旋电子器件26上，被自旋电子器件26反射的光依次经过物镜25，分束镜24，检偏器II27和相机II28，所述相机II28与计算机3连接，在计算机3上成像。

在一种实施例中，如图1所示，所述光源II21提供入射光，依次通过透镜组III22，起偏器II23，经分束镜24反射，进入物镜25，照射到自旋电子器件26上，被自旋电子器件26反射的光依次经过物镜25，再被分束镜24透射，经过检偏器II27和相机II28，所述相机II28与计算机3连接，在计算机3上成像。

在另一种实施例中，所述光源II21提供入射光，依次通过透镜组III22，起偏器II23，经分束镜透射，进入物镜25，照射到自旋电子器件26上，被自旋电子器件26反射的光依次经过物镜25，再经分束镜24反射，进入检偏器II27和相机II28，所述相机II28与计算机3连接，在计算机3上成像。

所述物镜25放大的倍数为4～100倍。

本发明中所述光源I11和光源II21不做特别限制，可以选择LED灯、汞灯等。

本发明中所述检偏器I15和检偏器II27采用线偏振器，当反射光透射过此种光学元件时，发射光的偏振角度与检偏器的相对角度决定了透过后光线的强度。

本发明中光源I11通过起偏器I成为线偏振光源。所述光源II21依次通过透镜组III22，起偏器II23后成为线偏振光源。所述电源模块4用于向自旋电子器件26提供稳定电流或者电压，所述电压测量模块5用于测量自旋电子器件26指定引脚之间的电压差。引脚是指从集成电路(芯片)内部电路引出与外围电路的接线，引脚构成了芯片的接口。本发明中自旋电子器件26的磁性微结构的边缘的电极与引脚连接。

所述电源模块4和电压测量模块5分别与所述自旋电子器件26连接，所述电压测量模块5与计算机3连接。

在一种实施例中，所述电源模块4为电流源；所述电压测量模块5为电表，所述自旋电子器件26同时与稳定的电流源和电表连接，所述电表与计算机3连接，显示电压值。

所述计算机3成像和演示时图像处理使用作差法。作差法是一种图像处理方法，作差法是指将两张图片对应像元的亮度值进行一一相减，让两张图片相对变化的信息更加突出显示，最终达到降低图片噪声水平的方式。作差法可以用于消除噪声，并将磁性翻转现象突出显示出来。本发明选用作差法处理计算机上图像，可以同时保证磁性晶圆和自旋电子器件成像和演示具有很好的效果，作差法与磁性晶圆模块1和自旋电子器件模块2提供的图像结合更好。

本发明对相机I17和相机II28不做特别限制，优选的所述相机I17和相机II28为CMOS相机。

在一种实施例中，所述起偏器II23和所述检偏器II27为固定设置。

在另一种实施例中，所述起偏器II23和所述检偏器II27为可旋转设置，可以调整起偏器II23和所述检偏器II27的角度。

如图2所示，本发明的磁性晶圆和自旋电子器件成像和演示系统的演示方法，包括以下内容：打开光源I11，调整起偏器I12和检偏器I15的方向，计算机3上显示磁性晶圆14的图像，将磁铁的一端靠近磁性晶圆14远离检偏器I15的一侧，磁铁在与磁性晶圆14对应的范围内运动时，磁性晶圆14上相应的区域就会发生电子反转，在计算机3上会显示磁铁运动的路径，路径颜色变色。在计算机3上显示磁性晶圆14颜色发生明暗变化代表磁性晶圆14上的磁性膜层磁化方向的变化，当用磁铁的另一端靠近磁性晶圆14时，磁性晶圆14的磁性又恢复到原有状态，计算机3显示磁性晶圆14恢复原来的亮度，说明磁性晶圆14上磁性薄膜的变化是可逆的，这也是自旋电子芯片做成储存器后能够进行无限次的信息擦除、写入的原因，能够保持相当长的使用寿命。

打开光源II21，调整起偏器II23和检偏器II27的方向，计算机3上显示自旋电子器件26的结构图像，将磁铁的一端靠近自旋电子器件26远离物镜25的一侧，计算机3上中央的核心区域颜色发生变化，说明磁性发生翻转，说明磁性微结构仍然保持良好的磁性。同时计算机3显示自旋电子器件26的电压值，当自旋电子器件26的磁性发生反转时，自旋电子器件26的电压值也同步发生变化，说明自旋电子器件26能够把磁信号转换成电信号，才能够被各类电子系统读取了如何调控磁信号，并将磁信号高效率转化成电信号，这是自旋电子学研究的一个很重的课题，通过本发明可以直观观测到。当用磁铁的另一端靠近自旋电子器件26时，自旋电子器件26的磁性又恢复到原有状态，计算机3显示自旋电子器件26恢复原来的亮度。

在另一种实施例中，计算机3显示自旋电子器件26的电阻值。

所述磁铁靠近磁性晶圆的一端表面直径或边长为10μm～1cm。

所述磁铁的另一端连接有控制部，用于操作者控制磁铁。

在另一种实施例中，如图3所示，所述磁性晶圆模块和所述自旋电子器件模块2分别连接计算机I6和计算机II7，所述电表5与计算机I6连接，也可实现磁性晶圆和自旋电子器件成像和演示功能。

另外，可以使用另一块表面积大的磁铁靠近磁性晶圆14或自旋电子器件26，磁极与演示用的磁铁的另一端磁极相同即可，使磁性晶圆14的磁性又恢复到原有状态。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种磁性晶圆和自旋电子器件成像和演示系统，其特征在于：包括磁性晶圆磁光克尔成像模块，自旋电子器件磁光克尔成像模块和计算机；

所述磁性晶圆磁光克尔成像模块包括光源I，起偏器I，透镜元件，磁性晶圆，检偏器I，透镜组II和相机I；所述光源I提供入射光，入射光依次通过起偏器I，透镜元件，照射到磁性晶圆上，磁性晶圆反射后的光依次通过检偏器I，透镜组II和相机I，所述相机I与所述计算机连接；

所述自旋电子器件磁光克尔成像模块包括光源II，透镜组III，起偏器II，分束镜，物镜，自旋电子器件，检偏器II和相机II；所述光源II提供入射光，入射光依次通过透镜组III，起偏器II，分束镜，物镜，照射到自旋电子器件上，自旋电子器件反射后的光依次通过物镜，分束镜，检偏器II和相机II，所述相机II与计算机连接。

2.根据权利要求1所述的磁性晶圆和自旋电子器件成像和演示系统，其特征在于：所述系统还包括电源模块和电压测量模块，所述电源模块用于向自旋电子器件提供稳定电流或者电压，所述电压测量模块用于测量自旋电子器件指定引脚之间的电压差；所述电源模块和电压测量模块分别与所述自旋电子器件连接，所述电压测量模块与计算机连接。

3.根据权利要求1所述的磁性晶圆和自旋电子器件成像和演示系统，其特征在于：所述起偏器I和所述检偏器I为可旋转设置或为固定设置；所述起偏器II和所述检偏器II为可旋转设置或为固定设置。

4.根据权利要求1所述的磁性晶圆和自旋电子器件成像和演示系统，其特征在于：所述透镜组II的长度为0.1m～1m；所述透镜组II的焦距为0.06m～3m；所述透镜组II为远心透镜组。

5.根据权利要求1～4任意一项所述的磁性晶圆和自旋电子器件成像和演示系统，其特征在于：所述透镜元件和所述起偏器I的位置互换。

6.一种根据权利要求1或2所述磁性晶圆和自旋电子器件成像和演示系统的成像和演示方法，其特征在于：包括以下内容，打开光源I，计算机上显示磁性晶圆的图像，将磁铁的一端靠近磁性晶圆远离检偏器I的一侧，磁铁在与磁性晶圆对应的范围内运动时，计算机上会显示磁铁运动的路径，或者整个晶圆范围内出现图像颜色或者灰度变化，表示磁性翻转；用磁铁的另一端靠近磁性晶圆，计算机显示磁性晶圆的成像恢复原状态；

打开光源II，计算机上显示自旋电子器件的成像，将磁铁靠近自旋电子器件远离物镜的一侧，计算机上中央的核心区域颜色发生变化，同时计算机显示自旋电子器件的电压值；当用磁铁的另一端靠近自旋电子器件时，计算机显示自旋电子器件恢复原状态。

7.根据权利要求6所述的成像和演示方法，其特征在于：所述计算机的成像和演示的图像处理方法使用作差法。

8.根据权利要求6所述的成像和演示方法，其特征在于：所述磁铁的另一端连接有控制部，用于操作者控制磁铁运动。

9.根据权利要求1～8中任意一项所述的成像和演示系统的应用。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述应用为用于教学演示、写字或画画。

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