CN115436364A - 一种自旋和能谷极化信号的无损成像系统及成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自旋和能谷极化信号的无损成像系统，包括XY扫描位移台、激光器、光电探测器、若干锁相放大器和CCD相机。通过设置微米级高精度XY扫描位移台，可以对所选区域进行局部扫描，实现器件的空间分辨成像。本发明通过锁相放大器接收光电流或电压信号，对于微弱信号有较精确的采集结果。本发明集成了不同波长的激发光，可以随时进行激光波长的切换以满足不同样品的所需激发光波长，并且可以随时拓展集成更多波长的激发光。本发明将无损成像系统应用于硫化锡晶体的测量，发现了硫化锡晶体的通道边缘自旋积累现象，探究了其和器件源漏极偏置电流的关系。
Description
技术领域
本发明属于纳米科学技术领域，尤其涉及一种自旋和能谷极化信号的无损成像系统。
背景技术
自旋电子学与低维材料的谷极化是纳米科学领域重要的研究方向，通过操控电子自旋的内禀属性开发新型的自旋器件将有助于降低现有器件的功耗与成本，提升现有器件的信息存储与传递能力，具有巨大的应用潜力。
在目前的器件测量中，人们主要利用电注入和光注入自旋流，受限于测试环境和设备配置的问题，数据的采集和成像局限于单个器件的输运行为或者沟道材料的某一位点，不能实现器件的高精度空间分辨成像。
目前对器件自旋信号的收集方式主要是微区点测量或者线扫描，无法提供区域面成像，操作繁琐。
发明内容
针对上述缺陷，本发明提供了一种自旋和能谷极化信号的无损成像系统，通过控制面内移动压电位移台，实现面成像，并且通过使用锁相放大器对微弱信号进行检测，所得测量结果精确。
一种自旋和能谷极化信号的无损成像系统，包括激光器、激发光路、反射光路、位移台、显微成像系统既显微镜内部光路和CCD相机、测量系统既锁相放大器和源表；
其中，位移台上设有样品托用于固定样品，样品放在样品托上，通过金线与样品托连接，样品托通过引脚连接第一锁相放大器、第二锁相放大器和源表，分别用于显示微小电信号、样品反射率信号和施加偏置电信号；
所述激光器连接第一锁相放大器与第二锁相放大器，为两台锁相放大器输入参考频率；该激光器发出线偏振激光进入激发光路，激发光路的激光照射至样品，样品反射该激光，一部分反射激光直接反馈至CCD相机进行显示成像，另一部分反射激光进入显微镜顶部光路盒中的反射光路，在反射光路中经过分束镜、反射镜反馈至光电探测器；光电探测器与第二锁相放大器相连，以得到样品反射信号，以确定扫描位置。
作为优选，激光器包括主激光器盒中集成的若干子激光器及其控制器、盒外拓展激光器及其控制器；主激光器盒与盒外拓展激光器射出的线偏振激光均可进入同一激发光路。
作为优选，主激光器盒射出的激光通过可旋转第一反射镜直接进入激发光路，其中，拓展激光器与激发光路之间还设有斩波器，斩波器与第一锁相放大器相连，控制输入第一锁相放大器的参考频率；主激光器盒中若干个子激光器通过其对应连接的控制器，输出不同波长的激光，经过反射镜和分束镜的调整后从激光器盒的出光口导出，通过位于出光口光路下游的可旋转第一反射镜进入激发光路。
作为优选，激发光路通过反射镜改变激光传播方向，具体的，线偏振激光从激光器射出后依次经过反射镜进入显微镜顶部光路盒，其中，激光器与反射镜的光路中间设有第一光阑、第二光阑，用于对激光进行准直。
作为优选，显微镜顶部光路盒包括第四反射镜和第五反射镜用于改变激光方向，同时一个四分之一玻片耦合于第四、第五反射镜之间的光路中，用于改变激光的偏振方向，使激光可以从线偏振变为椭圆偏振和圆偏振，第五反射镜反射的光线经过第一分束镜和第二分束镜进入显微镜内部光路。
作为优选，反射光路为样品台被反射的激光经由显微镜内部光路和第二分束镜后于显微镜顶部光路盒进入光电探测器的部分，具体的，反射激光通过第二分束镜进入显微镜顶部光路盒，由盒内的第一分束镜分束，并经由第六反射镜反射进入光电探测器。
作为优选，位移台包括层叠设置的主扫描位移台和次扫描位移台，分别对样品位置进行粗调和细调，所述主扫描位移台置于次扫描位移台的下方；主扫描位移台通过三个电机控制x、y、z方向，并与摇杆相连，对样品进行位置的粗调与聚焦；次扫描位移台通过控制器与计算机相连，在软件中可以对样品位置进行xy平面内细调，并可以设置平面内微米级扫描步长。
本发明还公开了一种自旋和能谷极化信号的无损成像系统的成像方法，包括以下步骤：
步骤1，制作样品，用金线和银胶将样品放至样品托并与样品托引脚相连，移动主扫描位移台和次扫描位移台，在显微镜下找到样品的位置，使激发光聚焦于样品表面；基于软件控制次扫描位移台对样品在视野中进行微米级的移动，将样品移动至视野中央进行点测量，或通过设置扫描步长和每一点的扫描时间对样品进行面扫描测量成像；
步骤2，通过对样品施加不同的源漏极偏置电压，改变四分之一玻片的旋转角度,利用得到的左圆偏振光和右圆偏振光分别对样品的相同位置进行面扫描，将两张扫描图像相减得到样品的自旋流信号图。
作为优选，样品为具有自旋分裂能带结构的材料，该材料产生与光偏振极化相关的光生电信号，在样品两端施加偏置电流的情况下，当圆偏振光照射到样品制成的器件上时，左圆偏振光和右圆偏振光产生的电子自旋方向相反，电流诱导的面外自旋在器件相反通道边缘两端附近积累，改变四分之一玻片的旋转角度,利用得到的左圆偏振光和右圆偏振光对样品的相同位置进行扫描，所得扫描图像相减的结果便是样品的自旋流信号。
作为优选，样品为硫化锡晶体，该硫化锡晶体通过物理气相沉积的方法在氧化镁基底上生长制成，通过对硫化锡晶体施加不同的源漏极偏置电压测得硫化锡的自旋信号图像和反射率信号，并得到硫化锡晶体的自旋流信号图。
本发明的有益效果是：
(1)本发明通过控制面内移动压电位移台，可以实现面成像，解决了现有技术中对器件自旋信号的收集方式为微区点测量或者线扫描，无法提供区域面成像，操作繁琐的问题，同时结合使用锁相放大器对微弱信号进行检测，能够得到精确的测量结果；
(2)本发明通过使用参考频率来自激光器的锁相放大器，对器件测量中得到的微伏、纳伏级别的微弱电信号可以准确识别，从而捕捉到螺旋光激发下的自旋信号；
(3)本发明通过主位移台和次位移台控制样品台的移动，遥控手柄控制的主位移台让使用者可以便捷地在显微镜下找到样品的位置，聚焦激发光于样品表面。软件控制的次位移台可以让使用者对样品进行微米级的移动，准确设置所需扫描范围与微米级扫描步长，按照所需进行粗扫描与细扫描；
(4)本发明的激光盒中集成了不同波长的激发光，可以随时进行激光波长的切换以满足不同样品的所需激发光波长，并且可以随时拓展集成更多波长的激发光；
(5)本发明通过物理气相沉积的方法制成硫化锡晶体，制作Hall bar形状硫化锡器件，进一步测量发现其通道边缘有自旋积累信号，且信号的方向和大小随施加源漏偏置电压的方向和大小变化，证明了所述自旋信号成像方法的可行性与便捷性，并为自旋器件的制作提供了新的材料种类。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1是本发明一个实施例的整体结构示意图；
图2是本发明一个实施例的激光器示意图；
图3是本发明一个实施例激发光路示意图；
图4是本发明一个实施例反射光路示意图；
图5是本发明一个实施例显微镜顶部光路盒示意图；
图6是本发明一个实施例的器件示意图；
图7至图9是本发明一个实施例的施加不同的源漏极偏置电压测得硫化锡的自旋信号图像和反射率信号图。
附图标记：
1-激光器，2-激发光路，3-第一分束镜，4-第二锁相放大器，5-光电探测器，6-CCD相机，7-第二分束镜，8-第三分束镜，9-显微镜内部光路，10-物镜，11-源表，12-第一锁相放大器，13-主扫描位移台、14-次扫描位移台，15-样品托，16-计算机，17-白光源，18-主激光器盒，19-拓展激光器，20-斩波器，21-第二反射镜，22-可旋转第一反射镜，23-第一光阑，24-第二光阑，25-第三反射镜，26-第四反射镜，27-四分之一玻片，28-第五反射镜，29-第六反射镜。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明通过设置微米级高精度XY扫描位移台，可以对所选区域进行局部扫描，实现器件的空间分辨成像。本发明通过锁相放大器接收光电流或电压信号，对于微弱信号有较精确的采集结果。本发明集成了不同波长的激发光，可以随时进行激光波长的切换以满足不同样品的所需激发光波长，并且可以随时拓展集成更多波长的激发光。
具体的，如图1至图5所示，一种自旋和能谷极化信号的无损成像系统，包括激光器、激发光路、反射光路、位移台和位移台控制模块；
其中，位移台上设有样品台用于固定样品，位移台两端并联第一锁相放大器12与源表11。样品台上样品托15中的样品通过导线与第一锁相放大器12相连对样品进行电信号收集。激光器1连接第一锁相放大器12与第二锁相放大器4，以给定参考频率，该激光器1发出线偏振激光进入激发光路，激发光路的激光通过第一分束镜3照射至样品台，样品台反射该激光，一部分反射激光直接反馈至CCD相机6，另一部分反射激光通过第二分束镜7进入显微镜顶部光路盒中的反射光路，在反射光路中经过第一分束镜3和第六反射镜29反馈至光电探测器5；光电探测器5与第二锁相放大器4相连，以得到样品反射率信号，用于确定扫描位置。
如图2所示，激光器1集成400nm至900nm中的五种常用激光，分两种方式耦合于光路中。激光器1包括主激光器盒18、拓展激光器19、斩波器及控制器，其中，主激光器盒18中包括4种子激光器、与该子激光器相连的4个控制器、8个反射镜和4个分束镜；拓展激光器19设于激光器盒外，主激光器盒18射出的激光与拓展激光器19射出的激光为可选择的5种线偏振激光，其进入激发光路。
主激光器盒18射出的激光通过可旋转第二反射镜21直接进入激发光路，拓展激光器19与第二反射镜21的光路之间还设有斩波器20，斩波器20与第一锁相放大器12相连，控制输入第一锁相放大器12的参考频率；激光器盒中若干个子激光器通过其对应连接的控制器，输出不同波长的激光，经过反射镜和分束镜的调整后从激光器盒的出光口导出，通过位于出光口光路下游的可旋转第一反射镜22进入激发光路。
如图3所示，激发光路通过反射镜改变激光传播方向，具体的，线偏振激光从激光器1射出后经过若干反射镜进入显微镜顶部光路盒，其中，可旋转第一反射镜22与第三反射镜25中间设有第一光阑23、第二光阑24对激光进行准直。显微镜顶部光路盒包括第四反射镜26和第五反射镜28用于改变激光方向，同时一个四分之一玻片27耦合于第四、第五反射镜之间的光路中，用于改变激光的偏振方向，使激光可以从线偏振变为椭圆偏振和圆偏振，第五反射镜28反射的光线依次经过第二分束镜7和第一分束镜3进入显微镜内部光路。
照明光路包括白光源17，白光源17入射至第三分束镜8，通过显微镜内部光路9入射至样品台上，其中显微镜内部光路9还包括物镜10，用于选择不同的放大倍数。激发光、照明光和反射光共用一部分显微镜内部光路9(即照明光路)，照明光入射后通过显微镜内部光路在器件样品上聚焦，一部分反射光沿同样光路进入显微镜顶部的CCD相机6，CCD相机6与计算机16相连，输出实时画面。
如图4所示，反射光路为激光作用于样品台后，经由样品反射的反射激光的光路，具体的，反射激光通过经过显微镜内部光路和第二分束镜7进入显微镜顶部光路盒，由盒内的第一分束镜3分束，并经由第六反射镜29反射进入光电探测器5。光电探测器5与锁相放大器4相连得到样品反射率信号，用于确定扫描位置，参考频率由激光器1给出。
位移台包括层叠设置的次扫描位移台14和主扫描位移台13，主扫描位移台13置于次扫描位移台14的下方，分别对样品位置进行粗调和细调；其中主扫描位移台13通过三个电机控制x、y、z方向，并与摇杆相连，对样品进行位置的粗调与聚焦；次扫描位移台14通过控制器与计算机相连，在软件中可以对样品位置进行xy平面内细调，并可以设置平面内微米级扫描步长。
本发明进一步提供了一种新的应用方式，基于上述公开的自旋和能谷极化信号的无损成像系统测得硫化锡晶体相关的自旋信号。
目前没有人利用CVD生长的单层石墨烯测出自旋与能谷信号，本发明通过物理气相沉积的方法生长了硫化锡晶体，将其制成可测量的器件。具体的，
一种自旋和能谷极化信号的无损成像系统的成像方法，包括以下步骤：
步骤1，制作样品，用金线和银胶将样品放至样品托并与样品托引脚相连，移动主扫描位移台和次扫描位移台，在显微镜下找到样品的位置，使激发光聚焦于样品表面；基于软件控制次扫描位移台对样品在视野中进行微米级的移动，将样品移动至视野中央进行点测量，或通过设置扫描步长和每一点的扫描时间对样品进行面扫描测量成像。
样品为具有自旋分裂能带结构的材料，该材料会出现和螺旋度相关的光生电信号，在器件两端施加偏置电流的情况下，当圆偏振光照射到器件上时，左圆偏振光和右圆偏振光产生的电子自旋方向相反，电流诱导的面外自旋在器件相反通道边缘两端附近积累。
本实施例中的样品为硫化锡晶体，单层SnS本身的自旋轨道耦合效应使其物质本身具有自旋信号，如图6所示，本发明通过物理气相沉积方法在氧化镁基底上生长硫化锡晶体，通过电子束曝光技术在硫化锡表面制作了Hall bar形状的聚甲基丙烯酸甲酯,最后将生长的硫化锡晶体刻蚀成所需的Hall bar形状。利用电子束曝光技术制作器件测量的电极图案，通过蒸镀金和lift-off工艺制成测量所需的金电极。
步骤2，通过对样品施加不同的源漏极偏置电压，改变四分之一玻片(27)的旋转角度,利用得到的左圆偏振光和右圆偏振光分别对样品的相同位置进行面扫描，将两张扫描图像相减得到样品的自旋流信号图。
对样品通过施加不同的源漏极偏置电压测得硫化锡的自旋信号图像和反射率信号，如图7至图9所示，反射率图像可以清楚看到硫化锡器件通道的边缘，并和光电压图像表示的器件位置有很好的对应。
当施加1.5V的偏置电压，在通道左边缘出现自旋相关正光电压，通道右边缘出现自旋相关负光电压，通道边缘符号相反的光电压信号代表方向相反的自旋积累。改变偏置电压方向，既施加-1.5V的偏置电压，通道边缘自旋相关电压符号随之变化。进一步改变偏置电压的大小，施加2V和2.5V的偏置电压，通道边缘自旋相关光电压大小随之变化，说明自旋积累信号的大小与偏置电压的大小有关。硫化锡器件自旋信号的发现，及其方向和大小随偏置电压的改变，进一步验证了所述自旋成像方法的可行性。
本发明公开了一种自旋和能谷极化信号的无损成像系统，通过设置微米级高精度XY扫描位移台，可以对所选区域进行局部扫描，实现器件的空间分辨成像；通过锁相放大器接收光电流或电压信号，对于微弱信号有较精确的采集结果。同时，创造性地将其用于硫化锡晶体的测量，测量发现了硫化锡晶体器件的通道边缘的自旋积累信号，探究了其和器件源漏极偏置电流的关系，发现了自旋信号的方向和大小与器件源漏极偏置电流的方向和大小相关。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种自旋和能谷极化信号的无损成像系统，其特征在于，包括激光器、激发光路、反射光路和位移台；
其中，位移台上设有样品托(15)用于固定样品，样品放在样品托(15)上，通过金线与样品托连接，样品托(15)通过引脚连接第一锁相放大器(12)、第二锁相放大器(4)和源表(11)，分别用于显示微小电信号、样品反射率信号和施加偏置电信号；
所述激光器(1)连接第一锁相放大器(12)与第二锁相放大器(4)，为两台锁相放大器输入参考频率；该激光器(1)发出线偏振激光进入激发光路，激发光路的激光照射至样品，样品反射该激光，一部分反射激光直接反馈至CCD相机(6)进行显示成像，另一部分反射激光进入显微镜顶部光路盒中的反射光路，在反射光路中经过分束镜、反射镜反馈至光电探测器(5)；光电探测器(5)与第二锁相放大器(4)相连，以得到样品反射信号，以确定扫描位置。
2.根据权利要求1所述的自旋和能谷极化信号的无损成像系统，其特征在于，所述激光器(1)包括主激光器盒(18)中集成的若干子激光器及其控制器、盒外拓展激光器(19)及其控制器；主激光器盒(18)与盒外拓展激光器(19)射出的线偏振激光均可进入同一激发光路。
3.根据权利要求2所述的自旋和能谷极化信号的无损成像系统，其特征在于，所述主激光器盒(18)射出的激光通过可旋转第一反射镜(22)直接进入激发光路，其中，拓展激光器(19)与激发光路之间还设有斩波器(20)，斩波器(20)与第一锁相放大器(12)相连，控制输入第一锁相放大器(12)的参考频率；主激光器盒(18)中若干个子激光器通过其对应连接的控制器，输出不同波长的激光，经过反射镜和分束镜的调整后从激光器盒的出光口导出，通过位于出光口光路下游的可旋转第一反射镜(22)进入激发光路。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的自旋和能谷极化信号的无损成像系统，其特征在于，所述激发光路通过反射镜改变激光传播方向和平面，具体的，线偏振激光从激光器(1)射出后依次经过反射镜进入显微镜顶部光路盒，其中，激光器(1)与反射镜的光路中间设有第一光阑(23)、第二光阑(24)，用于对激光进行准直。
5.根据权利要求4所述的自旋和能谷极化信号的无损成像系统，其特征在于，显微镜顶部光路盒包括第四反射镜(26)和第五反射镜(28)用于改变激光方向，同时一个四分之一玻片(27)耦合于第四、第五反射镜之间的光路中，用于改变激光的偏振方向，使激光可以从线偏振变为椭圆偏振和圆偏振，第五反射镜(28)反射的光线经过第一分束镜(3)和第二分束镜(7)进入显微镜内部光路(9)。
6.根据权利要求5所述的自旋和能谷极化信号的无损成像系统，其特征在于，所述反射光路为样品台被反射的激光经由显微镜内部光路和第二分束镜(7)后于显微镜顶部光路盒进入光电探测器的部分，具体的，反射激光通过第二分束镜(7)进入显微镜顶部光路盒，由盒内的第一分束镜(3)分束，并经由第六反射镜(29)反射进入光电探测器(5)。
7.根据权利要求6所述的自旋和能谷极化信号的无损成像系统，其特征在于，位移台包括层叠设置的主扫描位移台(13)和次扫描位移台(14)，分别对样品位置进行粗调和细调，所述主扫描位移台(13)置于次扫描位移台(14)的下方；主扫描位移台(13)通过三个电机控制x、y、z方向，并与摇杆相连，对样品进行位置的粗调与聚焦；次扫描位移台(14)通过控制器与计算机相连，在软件中可以对样品位置进行xy平面内细调，并可以设置平面内微米级扫描步长。
8.根据权利要求7所述的自旋和能谷极化信号的无损成像系统的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，制作样品，用金线和银胶将样品放至样品托并与样品托引脚相连，移动主扫描位移台和次扫描位移台，在显微镜下找到样品的位置，使激发光聚焦于样品表面；基于软件控制次扫描位移台对样品在视野中进行微米级的移动，将样品移动至视野中央进行点测量，或通过设置扫描步长和每一点的扫描时间对样品进行面扫描测量成像；
步骤2，通过对样品施加不同的源漏极偏置电压，改变四分之一玻片(27)的旋转角度,利用得到的左圆偏振光和右圆偏振光分别对样品的相同位置进行面扫描，将两张扫描图像相减得到样品的自旋流信号图。
9.根据权利要求8所述的一种自旋和能谷极化信号的无损成像系统的成像方法，其特征在于，所述样品为具有自旋分裂能带结构的材料，该材料产生与光偏振极化相关的光生电信号，在样品两端施加偏置电流的情况下，当圆偏振光照射到器件上时，左圆偏振光和右圆偏振光产生的电子自旋方向相反，电流诱导的面外自旋在器件相反通道边缘两端附近积累，改变四分之一玻片的旋转角度,利用得到的左圆偏振光和右圆偏振光对样品的相同位置进行扫描，所得扫描图像相减的结果便是样品的自旋流信号。
10.根据权利要求9所述的一种自旋和能谷极化信号的无损成像系统的成像方法，其特征在于，所述样品为硫化锡晶体，该硫化锡晶体通过物理气相沉积的方法在氧化镁基底上生长制成，通过对硫化锡晶体施加不同的源漏极偏置电压测得硫化锡的电信号图像和反射率信号，并得到硫化锡晶体的自旋流信号图。
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| CN202210955541.4A CN115436364A (zh) | 2022-08-10 | 2022-08-10 | 一种自旋和能谷极化信号的无损成像系统及成像方法 |
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|---|---|---|---|---|
| CN116953460A (zh) * | 2023-04-03 | 2023-10-27 | 中国矿业大学 | 一种测量微纳器件圆二色性光电流显微成像的方法 |
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|---|---|---|---|---|
| CN113219387A (zh) * | 2021-05-28 | 2021-08-06 | 国网安徽省电力有限公司电力科学研究院 | 固态量子自旋荧光成像系统 |
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- 2022-08-10 CN CN202210955541.4A patent/CN115436364A/zh active Pending
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