專利名稱：一套測(cè)量電子自旋注入和濾波的顯微測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體電學(xué)性質(zhì)測(cè)試技術(shù)和磁性材料磁學(xué)性質(zhì)測(cè)試技術(shù) 領(lǐng)域，特別涉及鐵磁性金屬向半導(dǎo)體注入自旋的測(cè)量技術(shù)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代信息技術(shù)利用電子的電荷自由度來進(jìn)行信息處理，而用磁性材料 的自旋自由度來存儲(chǔ)信息。自旋電子學(xué)這個(gè)新興的領(lǐng)域同時(shí)利用電子的這 兩個(gè)自由度來產(chǎn)生新的功能，這可能引起未來的信息技術(shù)的革新。目前， 由于稀磁半導(dǎo)體同時(shí)具有磁性和半導(dǎo)體的性質(zhì)，得到了廣泛的研究，但是 由于其很低的居里溫度，應(yīng)用前景仍然很小；所以，向半導(dǎo)體注入自旋方 法仍然在不斷的研究中。第一種方法是利用電學(xué)方法直接把鐵磁性材料的 極化電子注入到半導(dǎo)體中；此外就是利用光學(xué)方法在半導(dǎo)體中泵浦出極化 電子。
利用偏振光在半導(dǎo)體中泵浦出含自旋的電子的方法由于缺乏很好的 實(shí)際應(yīng)用背景，目前，人們大多關(guān)注于如何利用加電壓的方法從鐵磁性材 料中注入極化電子進(jìn)入半導(dǎo)體中；但是到目前為止，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)由于磁 性材料與半導(dǎo)體之間的電阻不匹配，導(dǎo)致注入極化電子的效率很低 (Phys.Rev.B， 62， ppR4790-R4794， 2000);這是由于人們對(duì)于注入過程 中電子輸運(yùn)的各種機(jī)理不是很了解。為此，有的小組(J.AppI.Phys， 87， pp4670-4672， 2000)研究了 NiFe/GaAs間Schottky勢(shì)壘在偏振光激發(fā)下 偏振光電流，研究結(jié)果顯示鐵磁薄膜的磁化強(qiáng)度方向和Schottky勢(shì)壘高度 決定了半導(dǎo)體和鐵磁材料間自旋相關(guān)光電流。可是，由于在此文偽四端方 法中測(cè)量光電流的方法有很大誤差。
為此，本發(fā)明提供一種利用標(biāo)準(zhǔn)四端法，測(cè)量不同磁場(chǎng)和偏振光激發(fā) 樣品下，偏振相關(guān)電壓隨直流偏壓變化的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種研究鐵磁材料和半導(dǎo)體界處中自旋相關(guān)輸 運(yùn)的系統(tǒng)。利用這套系統(tǒng)，可以對(duì)研究鐵磁材料向半導(dǎo)體注入自旋效率(自 旋注入)和半導(dǎo)體中極化電子向鐵磁材料輸入過程中被濾除的效率(自旋 濾波)。
一套測(cè)量電子自旋注入和濾波的顯微測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，包括
一HeNe激光器，用來激發(fā)樣品(101);
一渥拉斯頓棱鏡，把前面的激光器發(fā)出來的光調(diào)制成線偏振光
(102);
一光彈調(diào)制器，把線偏振光調(diào)制成50kHz左旋和右旋圓偏振光，并提 供鎖相放大器(104)觸發(fā)信號(hào)(103);
一鎖相放大器，用來測(cè)量樣品偏振相關(guān)電子輸運(yùn)電壓(104);
一鎖相放大器，用來測(cè)量樣品光伏電壓(105); 一數(shù)字電壓表，測(cè)量樣品直流偏壓(106); 一恒流源，用來給樣品施加偏置電流(107); 一顯微物鏡，用來聚焦激光，使其照射到樣品上(108);
一斬波器，調(diào)制入射光強(qiáng)，并提供鎖相放大器(105)觸發(fā)信號(hào)(109); 一白光光源，用來照射樣品，以便于攝像機(jī)和顯示器(112)能清楚
顯示激光照射樣品的位置(110);
一兩個(gè)半反半透鏡組，用來把激光和白光匯合后照射樣品，且把反射
光成像到攝像機(jī)和顯示器(111);
一攝像機(jī)和顯示器，用來顯示和記錄激光照射樣品位置(112);
一可變磁場(chǎng)樣品座，安放樣品的地方，且施加不同磁場(chǎng)于樣品上
(113)。
進(jìn)一步，所述系統(tǒng)中，用經(jīng)過光彈調(diào)制器(103)后變成的左旋和右
旋交替變化的偏振光激發(fā)樣品，在半導(dǎo)體中得到自旋極化電子，通過恒流
源(107)調(diào)控半導(dǎo)體中電子的流向，外加磁場(chǎng)控制鐵磁金屬的磁化強(qiáng)度 方向；利用鎖相放大器(104)、鎖相放大器(105)和數(shù)字電壓表(106) 測(cè)量出固定磁場(chǎng)中，不同大小和方向偏壓下，電子自旋的注入和濾波效率。 進(jìn)一步，所述系統(tǒng)中，利用白光光源(110)，兩個(gè)半反半透組(111)，以及攝像機(jī)和顯示器(112)構(gòu)成監(jiān)視光路，觀察激光照射到樣品中臺(tái)面 的位置。
進(jìn)一步，所述系統(tǒng)中，利用斬波器(109)和鎖相放大器(105)，測(cè)
量光照樣品產(chǎn)生的光伏效應(yīng)，對(duì)比直流光伏響應(yīng)信號(hào)，保證測(cè)量過程的正 確性。
進(jìn)一步，所述系統(tǒng)中，利用可變磁場(chǎng)樣品座(113)，測(cè)量光照樣品光 電壓在不同磁場(chǎng)下的隨直流電壓的變化。
本發(fā)明是利用顯微光路和標(biāo)準(zhǔn)四端法測(cè)量樣品在偏振光照射下，通過 控制不同磁場(chǎng)和直流電流，測(cè)量極化電子輸運(yùn)性質(zhì)。
這種方法可以在室溫下準(zhǔn)確的測(cè)量到偏振相關(guān)的電子輸運(yùn)過程。對(duì)于 目前研究鐵磁材料和半導(dǎo)體雜化體系中電子自旋輸運(yùn)性質(zhì)提供了一種很 好的手段。


圖1是一套測(cè)量電子自旋注入和濾波的顯微測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖2是利用測(cè)試系統(tǒng)所測(cè)試的Fe/Al203/GaAs樣品室溫下光生電壓
在不同磁場(chǎng)下隨直流電壓的變化；
圖3是利用測(cè)試系統(tǒng)所測(cè)試的Fe/Al203/GaAS樣品室溫下偏振相關(guān)
電壓在不同磁場(chǎng)下隨直流電壓的變化。
具體實(shí)施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí) 施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
如圖1所示，是本發(fā)明的一套測(cè)量電子自旋注入和濾波的顯微測(cè)量系 統(tǒng)。該系統(tǒng)包括HeNe激光器101，渥拉斯頓棱鏡102，光彈調(diào)制器103, 鎖相放大器104，鎖相放大器105，數(shù)字電壓表106，恒流源107，顯微 物鏡108，斬波器109，白光光源110，兩個(gè)半反半透組111，攝像機(jī)和 顯示器112，可變磁場(chǎng)樣品座113。利用顯微光路和標(biāo)準(zhǔn)的四端測(cè)量方法 搭建系統(tǒng)；HeNe激光器發(fā)射出來的激光把通過渥拉斯頓棱鏡變成線偏振 光，線偏振光通過與之光軸成45角度的光彈調(diào)制器后，變成一束左旋和右旋交替變化的圓偏振光，利用顯微物鏡聚焦光束垂直照射樣品上；為了
觀察激光聚焦到樣品上的位置，在光路上放上兩個(gè)半反半透鏡組，從光路 旁邊引入白光，白光經(jīng)過半反半透鏡組中的一個(gè)透鏡的反射和激光一同入 射到樣品上，樣品上的反射光通過半反半透組的另一個(gè)透鏡反射進(jìn)入攝像 機(jī)和顯示器系統(tǒng)，從上面可以清楚的觀察到激光打到樣品表面的位置。調(diào)
好光路后，把半反半透鏡組移走；為了測(cè)量光強(qiáng)調(diào)制的光伏響應(yīng)，光路上 放置斬波器；利用恒流源在樣品兩端施加恒流偏置，兩臺(tái)鎖相放大器和數(shù) 字電壓表并聯(lián)在樣品的另外兩端分別測(cè)量光生電壓、偏振相關(guān)電壓和直流 偏壓。兩臺(tái)鎖相放大器的觸發(fā)信號(hào)分別來自斬波器和光彈調(diào)制器。
作為一個(gè)實(shí)例，本發(fā)明中利用該系統(tǒng)測(cè)量了一結(jié)構(gòu)為GaAs/Al203/Fe 樣品的光電性質(zhì)。測(cè)試結(jié)果如圖2和3;圖2是光生電壓在不同大小垂直 于樣品表面磁場(chǎng)下，隨直流偏壓變化的測(cè)量結(jié)果，曲線重合，這說明光伏 響應(yīng)不隨磁場(chǎng)的變化，這也符合光生電壓只和樣品的結(jié)構(gòu)有關(guān)，而應(yīng)該和 磁場(chǎng)無關(guān)的物理特性，這也間接證明下面關(guān)于偏振相關(guān)電壓測(cè)量的正確 性；圖3是偏振相關(guān)電壓在不同大小垂直于樣品表面磁場(chǎng)下隨直流偏壓變 化的測(cè)量結(jié)果，從圖中可以看到，不同磁場(chǎng)下，同樣的直流偏置下，偏振 相關(guān)電壓隨磁場(chǎng)增大而增大；這是由于磁場(chǎng)加大后，鐵磁層的方向逐漸轉(zhuǎn) 到垂直于樣品表面，即鐵磁層中電子的自旋方向逐漸垂直于樣品表面，而 調(diào)制的左旋和右旋交替變化的圓偏振光在樣品中激發(fā)的電子自旋方向也 是垂直于樣品表面；這時(shí)，通過樣品就會(huì)出現(xiàn)兩種自旋方向相反或相同的 電子運(yùn)動(dòng)方式，如果自旋方向相反，那么就會(huì)測(cè)量到更大的偏振相關(guān)電壓， 而如果如果自旋方向相同，那么偏振相關(guān)電壓減少；從圖中可以看出不論 是正向電壓還是反向偏壓下隨磁場(chǎng)的增加，自旋相反的電子輸運(yùn)增大了； 但是在正向偏壓下，信號(hào)的強(qiáng)度變化明顯快于負(fù)向偏壓下，這也說明了自 旋濾波效應(yīng)高于注入效率。利用此方法觀察到了明顯的電子自旋相關(guān)的輸 運(yùn)。
以上實(shí)例說明本發(fā)明設(shè)計(jì)的這套系統(tǒng)具有一非常顯著的特點(diǎn)，就是利 用該系統(tǒng)可以明顯的測(cè)量到和自旋信號(hào)相關(guān)的信息；該系統(tǒng)可變的變量有 光波長(zhǎng)、溫度和磁場(chǎng)強(qiáng)度。該系統(tǒng)將會(huì)在目前電子自旋注入的研究當(dāng)中得 到一定的推廣。以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不 局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想 到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保 護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1. 一套測(cè)量電子自旋注入和濾波的顯微測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，包括一HeNe激光器，用來激發(fā)樣品(101)；一渥拉斯頓棱鏡，把前面的激光器發(fā)出來的光調(diào)制成線偏振光(102)；一光彈調(diào)制器，把線偏振光調(diào)制成50kHz左旋和右旋圓偏振光，并提供鎖相放大器(104)觸發(fā)信號(hào)(103)；一鎖相放大器，用來測(cè)量樣品偏振相關(guān)電子輸運(yùn)電壓(104)；一鎖相放大器，用來測(cè)量樣品光伏電壓(105)；一數(shù)字電壓表，測(cè)量樣品直流偏壓(106)；一恒流源，用來給樣品施加偏置電流(107)；一顯微物鏡，用來聚焦激光，使其照射到樣品上(108)；一斬波器，調(diào)制入射光強(qiáng)，并提供鎖相放大器(105)觸發(fā)信號(hào)(109)；一白光光源，用來照射樣品，以便于攝像機(jī)和顯示器(112)能清楚顯示激光照射樣品的位置(110)；一兩個(gè)半反半透鏡組，用來把激光和白光匯合后照射樣品，且把反射光成像到攝像機(jī)和顯示器(111)；一攝像機(jī)和顯示器，用來顯示和記錄激光照射樣品位置(112)；一可變磁場(chǎng)樣品座，安放樣品的地方，且施加不同磁場(chǎng)于樣品上(113)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，用經(jīng)過光彈調(diào)制器(103) 后變成的左旋和右旋交替變化的偏振光激發(fā)樣品，在半導(dǎo)體中得到自旋極 化電子，通過恒流源(107)調(diào)控半導(dǎo)體中電子的流向，外加磁場(chǎng)控制鐵 磁金屬的磁化強(qiáng)度方向；利用鎖相放大器(104)、鎖相放大器(105)和 數(shù)字電壓表(106)測(cè)量出固定磁場(chǎng)中，不同大小和方向偏壓下，電子自 旋的注入和濾波效率。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其特征在于，利用白光光源(110)， 兩個(gè)半反半透組(111)，以及攝像機(jī)和顯示器(112)構(gòu)成監(jiān)視光路，觀 察激光照射到樣品中臺(tái)面的位置。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其特征在于，利用斬波器(109) 和鎖相放大器(105)，測(cè)量光照樣品產(chǎn)生的光伏效應(yīng)，對(duì)比直流光伏響應(yīng) 信號(hào)，保證測(cè)量過程的正確性。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其特征在于，利用可變磁場(chǎng)樣 品座(113)，測(cè)量光照樣品光電壓在不同磁場(chǎng)下的隨直流電壓的變化。
全文摘要
本發(fā)明是一套測(cè)量電子自旋注入和濾波的顯微測(cè)量系統(tǒng)。所述顯微測(cè)量系統(tǒng)用渥拉斯頓棱鏡作為光起偏器，把一束HeNe激光變成線偏振光，然后使線偏振光通過與其成45度夾角的光彈調(diào)制器，根據(jù)光學(xué)原理，偏振光變成50kHz調(diào)制的左右旋圓偏振光，圓偏振光照射樣品，樣品中產(chǎn)生自旋極化的電子；在反向電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下，鐵磁金屬向半導(dǎo)體中注入自旋極化電子，但是由于半導(dǎo)體在圓偏振光的照射下會(huì)有50％的自旋極化電子，從而會(huì)對(duì)注入的自旋極化電子產(chǎn)生磁阻效應(yīng)；在正向電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下，半導(dǎo)體中光照產(chǎn)生的自旋極化電子向鐵磁這邊驅(qū)動(dòng)，受鐵磁中極化電子的影響，會(huì)濾除與其自旋方向相反的注入電子。
文檔編號(hào)G01R31/26GK101452043SQ200710178300
公開日2009年6月10日 申請(qǐng)日期2007年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月29日
發(fā)明者劍 劉, 飛 張, 威 揚(yáng), 李桂榮, 肖文波, 譚平恒, 鄭厚植 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所