CN114018400A - 一种高灵敏光检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光探测技术领域，具体涉及一种高灵敏光检测装置，本发明提供了一种高灵敏光检测装置，包括反铁磁层、钉扎层、势垒层、自由层、贵金属微纳结构。本发明中，钉扎层、势垒层、自由层构成磁隧道结。应用时，待测光照射贵金属微纳结构；同时，应用固定磁场作用于本发明。通过测量待测光照射下和无待测光照射下，磁隧道结磁电阻的差异，确定待测光的强度或波长。在本发明中，可以设置不同尺寸或形状的贵金属微纳结构以调节其共振波长，从而实现对不同波长入射光的探测。因此，本发明具有光的探测波长范围宽的优点，在光检测领域具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及光探测技术领域，具体涉及一种高灵敏光检测装置。
背景技术
光电探测器是光电子基础芯片中接收端的核心芯片之一，光电探测器将光数据转换为电信号，以便于后续信号处理电路进行分析。传统光电探测器利用了材料的热电效应、光电效应、电吸收效应等，来检测入射光。随着科技的进步和社会的发展，光电探测装置的应用越来越广泛，相应地，对光电探测装置的要求越来越高。
硅材料作为微电子领域的传统材料，在加工工艺和制作成本上逐渐形成了其他材料无法比较的优势地位。但是由于传统半导体材料的禁带限制，探测波长范围窄，例如，基于硅材料的探测器，探测的截止波长为1100纳米。探索基于新原理的光探测技术，对提高光探测的波长范围具有重要的意义。
发明内容
为解决以上问题，本发明提供了一种高灵敏光检测装置，包括反铁磁层、钉扎层、势垒层、自由层、贵金属微纳结构，反铁磁层的材料为硬磁反铁磁材料，钉扎层置于反铁磁层上，钉扎层的材料为自旋性极化率高的金属或半金属，势垒层置于钉扎层上，自由层置于势垒层上，自由层的材料为磁各向异性弱的软磁材料，势垒层隔开钉扎层和自由层，贵金属微纳结构周期性地置于自由层上。
更进一步地，贵金属微纳结构相对于自由层的表面倾斜，贵金属微纳结构部分地置于自由层内。
更进一步地，还包括第二贵金属微纳结构，第二贵金属微纳结构置于自由层内。
更进一步地，自由层的表面设有凹陷部，贵金属微纳结构设置在凹陷部内。
更进一步地，凹陷部为楔形凹槽。
更进一步地，凹陷部贯穿自由层，贵金属微纳结构置于凹陷部底部的势垒层上。
更进一步地，贵金属微纳结构的高度小于凹陷部的深度。
更进一步地，凹陷部周期性排布。
更进一步地，凹陷部排布的周期为方形周期。
更进一步地，在同一凹陷部内，贵金属微纳结构的个数多于1个。
本发明的有益效果：本发明提供了一种高灵敏光检测装置，包括反铁磁层、钉扎层、势垒层、自由层、贵金属微纳结构。本发明中，钉扎层、势垒层、自由层构成磁隧道结。应用时，待测光照射贵金属微纳结构；同时，应用固定磁场作用于本发明。通过测量待测光照射下和无待测光照射下，磁隧道结磁电阻的差异，确定待测光的强度或波长。本发明中，在待测光照射下，贵金属微纳结构产生热，从而改变了自由层的温度，从而改变了自由层的自旋状态及磁性，从而改变了磁隧道结的磁电阻。在本发明中，可以设置不同尺寸或形状的贵金属微纳结构以调节其共振波长，从而实现对不同波长入射光的探测。因此，本发明具有光的探测波长范围宽的优点，在光检测领域具有良好的应用前景。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是一种高灵敏光检测装置的示意图。
图2是又一种高灵敏光检测装置的示意图。
图3是再一种高灵敏光检测装置的示意图。
图4是再一种高灵敏光检测装置的示意图。
图5是再一种高灵敏光检测装置的示意图。
图中：1、反铁磁层；2、钉扎层；3、势垒层；4、自由层；5、贵金属微纳结构；6、第二贵金属微纳结构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1
本发明提供了一种高灵敏光检测装置。如图1所示，该高灵敏光检测装置包括反铁磁层1、钉扎层2、势垒层3、自由层4、贵金属微纳结构5。反铁磁层1的材料为硬磁反铁磁材料，具体地，反铁磁层1的材料为IrMn、PtMn、FeMn。钉扎层2置于反铁磁层1上。钉扎层2的材料为自旋性极化率高的金属或半金属，具体地，钉扎层2的材料为Co、Fe、CoFe、CoFeB、CoFeAl合金。势垒层3置于钉扎层2上。自由层4置于势垒层3上。自由层4的材料为磁各向异性弱的软磁材料，具体地，自由层4的材料为NiFe合金、CoFe合金、CoFeB合金。势垒层3隔开钉扎层2和自由层4。势垒层3的材料为三氧化二铝或氧化镁。势垒层3的厚度大于0.8纳米、小于3纳米，以便在自由层4和钉扎层2之间实现量子隧穿效应。本实施例中，钉扎层2、势垒层3、自由层4构成磁隧道结。贵金属微纳结构周期性地置于自由层4上。具体地，贵金属微纳结构5方形周期地置于自由层4上。贵金属微纳结构5的材料为金或银，以便于激发强表面等离激元共振。贵金属微纳结构5的形状可以为球形、立方体形、棒形。优选地，贵金属微纳结构5的形状为棒形，以便于在线偏振光照射下，在贵金属微纳结构5上能够产生强局域表面等离激元共振。
应用时，待测光照射贵金属微纳结构5；同时，应用固定磁场作用于本发明。通过测量待测光照射下和无待测光照射下，磁隧道结磁电阻的差异，确定待测光的强度或波长。本发明中，在待测光照射下，贵金属微纳结构5产生热，从而改变了自由层4的温度，从而改变了自由层4的自旋状态及磁性，从而改变了磁隧道结的磁电阻。在本发明中，可以设置不同尺寸或形状的贵金属微纳结构5以调节其共振波长，从而实现对不同波长入射光的探测。因此，本发明具有光的探测波长范围宽的优点，在光检测领域具有良好的应用前景。
另外，因为自由层4的磁性或自旋严重地依赖于其温度，所以本发明具有光探测灵敏度高的优点。另外，本发明是基于传统电学的，不需要光谱仪等大型设备，器件的成本低。
实施例2
在实施例1的基础上，如图2所示，贵金属微纳结构5相对于自由层4的表面倾斜，贵金属微纳结构5部分地置于自由层4内。这样一来，一方面，增长了贵金属微纳结构5与待测光的作用距离，从而在贵金属微纳结构5上产生更强的局域表面等离激元共振，从而在贵金属微纳结构5上产生更多的热；另一方面，由于贵金属微纳结构5部分地置于自由层4内，加强了贵金属微纳结构5与自由层4之间的热传递，从而使得自由层4的温度改变更多。这两方面的效果均使得自由层4的自旋状态改变更多，从而更多地改变磁隧道结的磁电阻，从而实现更高灵敏度的光探测。
实施例3
在实施例1的基础上，如图3所示，还包括第二贵金属微纳结构6，第二贵金属微纳结构6置于自由层4内，第二贵金属微纳结构6与贵金属微纳结构5连接。第二贵金属微纳结构6的材料与贵金属微纳结构5的材料相同。这样一来，在贵金属微纳结构5和第二贵金属微纳结构6构成的复合结构中形成局域表面等离激元共振，在贵金属微纳结构5和第二贵金属微纳结构6的连接处、拐角处产生更多的热，从而更多地改变自由层4的温度；另外，由于第二贵金属微纳结构6置于自由层4内，也能保证上述复合结构产生的热更多地传递到自由层4内，从而更多地改变自由层4的温度。因此，本实施例能够更多地改变磁隧道结的磁电阻，从而实现更高灵敏度的光探测。
此外，第二贵金属微纳结构6与势垒层3的距离更近，第二贵金属微纳结构6能够将热传递到势垒层3附近，从而改变电子从自由层4至势垒层3的量子隧穿，从而更多地改变磁隧道结的磁电阻，从而实现更高灵敏度的光检测。
更进一步地，第二贵金属微纳结构6为棒形，第二贵金属微纳结构6连接贵金属微纳结构5的一端，形成L形结构。在待测光的作用下，在L形结构上形成强局域表面等离激元共振，第二贵金属微纳结构6将局域表面等离激元共振引入到自由层4内，从而使得自由层4的温度改变更多，从而更多地改变磁隧道结的磁电阻，从而实现更高灵敏度的光检测。
实施例4
在实施例1的基础上，还包括第二贵金属微纳结构6，第二贵金属微纳结构6置于自由层4内。第二贵金属微纳结构6的材料与贵金属微纳结构5的材料相同。第二贵金属微纳结构6置于贵金属微纳结构5下侧，第二贵金属微纳结构6与贵金属微纳结构5平行。这样一来，强电场聚集在贵金属微纳结构5和第二贵金属微纳结构6之间，并通过第二贵金属微纳结构6与贵金属微纳结构5之间的耦合，将入射光的能量耦合进入自由层4，第二贵金属微纳结构6产生的热均能够被自由层4吸收，从而更多地改变自由层4的温度，从而更多地改变磁隧道结的磁电阻，从而实现更高灵敏度的光探测。
实施例5
在实施例1的基础上，如图4所示，自由层4的表面设有凹陷部，贵金属微纳结构5设置在凹陷部内。凹陷部为楔形凹槽。本实施例将贵金属微纳结构5设置在凹陷部内，从而使得贵金属微纳结构5吸收更多的入射光，并且贵金属微纳结构5距离自由层4与势垒层3之间的界面更近，因此本发明能够实现更高灵敏度的光探测。
另外，在本实施例中，将贵金属微纳结构5设置在凹陷部内，一方面，凹陷部的侧面有利于会聚待测光，从而在贵金属微纳结构5中形成强表面等离激元共振，贵金属微纳结构5能够更多地发热；另一方面，贵金属微纳结构5与自由层4、势垒层3的距离更近，当贵金属微纳结构5产生热时，对磁隧道结的磁电阻改变更多。因此，本发明能够实现更高灵敏度的光探测。
实施例6
在实施例5的基础上，相邻楔形凹槽的深度不同。这样一来，当楔形凹槽内的贵金属材料吸收光、产生热时，能够在自由层4不同深度上产生热，从而更多地改变自由层4的温度，从而更多地改变自由层4的自旋状态，从而更多地改变磁隧道结的磁电阻，从而实现更高灵敏度的光探测。
更进一步地，相邻楔形凹槽内，贵金属微纳结构5的高度不同。这样一来，相邻楔形凹槽内的贵金属微纳结构5在光入射方向上具有距离差，从而相邻楔形凹槽内的贵金属微纳结构5上的电荷振动具有相位差，从而在相邻楔形凹槽内的贵金属微纳结构5间形成更强的电场耦合，从而吸收更多的光，从而产生更多的热，从而实现更高灵敏度的光探测。
实施例7
在实施例6的基础上，在自由层4表面覆盖有石墨烯层。在石墨烯层与贵金属微纳结构5之间具有空隙。在石墨烯层与贵金属微纳结构5之间形成强电场，减少了光的反射，从而使得贵金属微纳结构5吸收更多的光，从而产生更多的热，从而更多地改变自由层4的自旋状态，从而实现更高灵敏度的光探测。
实施例8
在实施例7的基础上，如图5所示，凹陷部贯穿自由层4。凹陷部周期排布，具体地，凹陷部排布的周期为方形周期。贵金属微纳结构5置于凹陷部底部的势垒层3上。贵金属微纳结构5的高度小于凹陷部的深度。这样一来，凹陷部的侧壁对贵金属微纳结构5的散射光具有限制作用，从而使得更多的能量被聚集在凹陷部内，从而使得贵金属微纳结构5产生更多的热。
在本实施例中，势垒层3将部分强电场限制在贵金属微纳结构5与势垒层3之间，从而在该处附近产生更多的热，从而更多地改变势垒层3的温度，从而实现更高灵敏度的光探测。
更进一步地，在同一凹陷部内，贵金属微纳结构5的个数多于1个。这样一来，相邻贵金属微纳结构5之间形成强耦合，强电场被聚集在相邻贵金属微纳结构5之间，从而减少了贵金属微纳结构5对入射光的散射、增加了贵金属微纳结构5对入射光的吸收，从而使得贵金属微纳结构5产生更多的热，从而更多地改变势垒层3的温度，从而更多地改变磁隧道结的磁电阻，从而实现更高灵敏度的光探测。
更进一步地，在凹陷部的侧面上设有贵金属微纳结构5。也就是说，在自由层4中凹陷部的侧面上，还设有贵金属微纳结构5。这样一来，凹陷部侧面上的贵金属微纳结构5也会吸收待检测光，从而产生热量，改变自由层4的温度，从而改变自由层4的自旋状态，从而更多地改变磁隧道结的磁电阻，从而实现更高灵敏度的光探测。
更进一步地，凹陷部侧面上的贵金属微纳结构5的尺寸小于凹陷部底部的贵金属微纳结构5的尺寸。也就是说，凹陷部侧面上的贵金属微纳结构5尺寸小；势垒层3上的贵金属微纳结构5尺寸大。这样一来，待测光能够更多地入射到凹陷部的底部，从而被凹陷部底部的贵金属微纳结构5吸收，从而改变势垒层3的温度，从而改变势垒层3的量子隧穿特性。因为势垒层3的量子隧穿特性对磁隧道结的磁电阻的影响更大，所以本实施例能够保证高灵敏度的光探测。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高灵敏光检测装置，其特征在于，包括反铁磁层、钉扎层、势垒层、自由层、贵金属微纳结构，所述反铁磁层的材料为硬磁反铁磁材料，所述钉扎层置于所述反铁磁层上，所述钉扎层的材料为自旋性极化率高的金属或半金属，所述势垒层置于所述钉扎层上，所述自由层置于所述势垒层上，所述自由层的材料为磁各向异性弱的软磁材料，所述势垒层隔开所述钉扎层和所述自由层，所述贵金属微纳结构周期性地置于所述自由层上。
2.如权利要求1所述的高灵敏光检测装置，其特征在于：所述贵金属微纳结构相对于所述自由层的表面倾斜，所述贵金属微纳结构部分地置于所述自由层内。
3.如权利要求2所述的高灵敏光检测装置，其特征在于：还包括第二贵金属微纳结构，所述第二贵金属微纳结构置于所述自由层内。
4.如权利要求1所述的高灵敏光检测装置，其特征在于：所述自由层的表面设有凹陷部，所述贵金属微纳结构设置在所述凹陷部内。
5.如权利要求4所述的高灵敏光检测装置，其特征在于：所述凹陷部为楔形凹槽。
6.如权利要求4所述的高灵敏光检测装置，其特征在于：所述凹陷部贯穿所述自由层，所述贵金属微纳结构置于所述凹陷部底部的所述势垒层上。
7.如权利要求6所述的高灵敏光检测装置，其特征在于：所述贵金属微纳结构的高度小于所述凹陷部的深度。
8.如权利要求7所述的高灵敏光检测装置，其特征在于：所述凹陷部周期性排布。
9.如权利要求8所述的高灵敏光检测装置，其特征在于：所述凹陷部排布的周期为方形周期。
10.如权利要求9所述的高灵敏光检测装置，其特征在于：在同一所述凹陷部内，所述贵金属微纳结构的个数多于1个。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20220208 |
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| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |