专利名称：一套测量电子自旋注入和滤波的显微测量系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体电学性质测试技术和磁性材料磁学性质测试技术 领域，特别涉及铁磁性金属向半导体注入自旋的测量技术。
背景技术：
现代信息技术利用电子的电荷自由度来进行信息处理，而用磁性材料 的自旋自由度来存储信息。自旋电子学这个新兴的领域同时利用电子的这 两个自由度来产生新的功能，这可能引起未来的信息技术的革新。目前， 由于稀磁半导体同时具有磁性和半导体的性质，得到了广泛的研究，但是 由于其很低的居里温度，应用前景仍然很小；所以，向半导体注入自旋方 法仍然在不断的研究中。第一种方法是利用电学方法直接把铁磁性材料的 极化电子注入到半导体中；此外就是利用光学方法在半导体中泵浦出极化 电子。
利用偏振光在半导体中泵浦出含自旋的电子的方法由于缺乏很好的 实际应用背景，目前，人们大多关注于如何利用加电压的方法从铁磁性材 料中注入极化电子进入半导体中；但是到目前为止，研究结果发现由于磁 性材料与半导体之间的电阻不匹配，导致注入极化电子的效率很低 (Phys.Rev.B， 62， ppR4790-R4794， 2000);这是由于人们对于注入过程 中电子输运的各种机理不是很了解。为此，有的小组(J.AppI.Phys， 87， pp4670-4672， 2000)研究了 NiFe/GaAs间Schottky势垒在偏振光激发下 偏振光电流，研究结果显示铁磁薄膜的磁化强度方向和Schottky势垒高度 决定了半导体和铁磁材料间自旋相关光电流。可是，由于在此文伪四端方 法中测量光电流的方法有很大误差。
为此，本发明提供一种利用标准四端法，测量不同磁场和偏振光激发 样品下，偏振相关电压随直流偏压变化的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种研究铁磁材料和半导体界处中自旋相关输 运的系统。利用这套系统，可以对研究铁磁材料向半导体注入自旋效率(自 旋注入)和半导体中极化电子向铁磁材料输入过程中被滤除的效率(自旋 滤波)。
一套测量电子自旋注入和滤波的显微测量系统，其特征在于，包括
一HeNe激光器，用来激发样品(101);
一渥拉斯顿棱镜，把前面的激光器发出来的光调制成线偏振光
(102);
一光弹调制器，把线偏振光调制成50kHz左旋和右旋圆偏振光，并提 供锁相放大器(104)触发信号(103);
一锁相放大器，用来测量样品偏振相关电子输运电压(104);
一锁相放大器，用来测量样品光伏电压(105); 一数字电压表，测量样品直流偏压(106); 一恒流源，用来给样品施加偏置电流(107); 一显微物镜，用来聚焦激光，使其照射到样品上(108);
一斩波器，调制入射光强，并提供锁相放大器(105)触发信号(109); 一白光光源，用来照射样品，以便于摄像机和显示器(112)能清楚
显示激光照射样品的位置(110);
一两个半反半透镜组，用来把激光和白光汇合后照射样品，且把反射
光成像到摄像机和显示器(111);
一摄像机和显示器，用来显示和记录激光照射样品位置(112);
一可变磁场样品座，安放样品的地方，且施加不同磁场于样品上
(113)。
进一步，所述系统中，用经过光弹调制器(103)后变成的左旋和右
旋交替变化的偏振光激发样品，在半导体中得到自旋极化电子，通过恒流
源(107)调控半导体中电子的流向，外加磁场控制铁磁金属的磁化强度 方向；利用锁相放大器(104)、锁相放大器(105)和数字电压表(106) 测量出固定磁场中，不同大小和方向偏压下，电子自旋的注入和滤波效率。 进一步，所述系统中，利用白光光源(110)，两个半反半透组(111)，以及摄像机和显示器(112)构成监视光路，观察激光照射到样品中台面 的位置。
进一步，所述系统中，利用斩波器(109)和锁相放大器(105)，测
量光照样品产生的光伏效应，对比直流光伏响应信号，保证测量过程的正 确性。
进一步，所述系统中，利用可变磁场样品座(113)，测量光照样品光 电压在不同磁场下的随直流电压的变化。
本发明是利用显微光路和标准四端法测量样品在偏振光照射下，通过 控制不同磁场和直流电流，测量极化电子输运性质。
这种方法可以在室温下准确的测量到偏振相关的电子输运过程。对于 目前研究铁磁材料和半导体杂化体系中电子自旋输运性质提供了一种很 好的手段。
图1是一套测量电子自旋注入和滤波的显微测量系统结构简图2是利用测试系统所测试的Fe/Al203/GaAs样品室温下光生电压
在不同磁场下随直流电压的变化；
图3是利用测试系统所测试的Fe/Al203/GaAS样品室温下偏振相关
电压在不同磁场下随直流电压的变化。
具体实施例方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实 施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，是本发明的一套测量电子自旋注入和滤波的显微测量系 统。该系统包括HeNe激光器101，渥拉斯顿棱镜102，光弹调制器103, 锁相放大器104，锁相放大器105，数字电压表106，恒流源107，显微 物镜108，斩波器109，白光光源110，两个半反半透组111，摄像机和 显示器112，可变磁场样品座113。利用显微光路和标准的四端测量方法 搭建系统；HeNe激光器发射出来的激光把通过渥拉斯顿棱镜变成线偏振 光，线偏振光通过与之光轴成45角度的光弹调制器后，变成一束左旋和右旋交替变化的圆偏振光，利用显微物镜聚焦光束垂直照射样品上；为了
观察激光聚焦到样品上的位置，在光路上放上两个半反半透镜组，从光路 旁边引入白光，白光经过半反半透镜组中的一个透镜的反射和激光一同入 射到样品上，样品上的反射光通过半反半透组的另一个透镜反射进入摄像 机和显示器系统，从上面可以清楚的观察到激光打到样品表面的位置。调
好光路后，把半反半透镜组移走；为了测量光强调制的光伏响应，光路上 放置斩波器；利用恒流源在样品两端施加恒流偏置，两台锁相放大器和数 字电压表并联在样品的另外两端分别测量光生电压、偏振相关电压和直流 偏压。两台锁相放大器的触发信号分别来自斩波器和光弹调制器。
作为一个实例，本发明中利用该系统测量了一结构为GaAs/Al203/Fe 样品的光电性质。测试结果如图2和3;图2是光生电压在不同大小垂直 于样品表面磁场下，随直流偏压变化的测量结果，曲线重合，这说明光伏 响应不随磁场的变化，这也符合光生电压只和样品的结构有关，而应该和 磁场无关的物理特性，这也间接证明下面关于偏振相关电压测量的正确 性；图3是偏振相关电压在不同大小垂直于样品表面磁场下随直流偏压变 化的测量结果，从图中可以看到，不同磁场下，同样的直流偏置下，偏振 相关电压随磁场增大而增大；这是由于磁场加大后，铁磁层的方向逐渐转 到垂直于样品表面，即铁磁层中电子的自旋方向逐渐垂直于样品表面，而 调制的左旋和右旋交替变化的圆偏振光在样品中激发的电子自旋方向也 是垂直于样品表面；这时，通过样品就会出现两种自旋方向相反或相同的 电子运动方式，如果自旋方向相反，那么就会测量到更大的偏振相关电压， 而如果如果自旋方向相同，那么偏振相关电压减少；从图中可以看出不论 是正向电压还是反向偏压下随磁场的增加，自旋相反的电子输运增大了； 但是在正向偏压下，信号的强度变化明显快于负向偏压下，这也说明了自 旋滤波效应高于注入效率。利用此方法观察到了明显的电子自旋相关的输 运。
以上实例说明本发明设计的这套系统具有一非常显著的特点，就是利 用该系统可以明显的测量到和自旋信号相关的信息；该系统可变的变量有 光波长、温度和磁场强度。该系统将会在目前电子自旋注入的研究当中得 到一定的推广。以上所述，仅为本发明中的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不 局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想 到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保 护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
权利要求
1. 一套测量电子自旋注入和滤波的显微测量系统，其特征在于，包括一HeNe激光器，用来激发样品(101)；一渥拉斯顿棱镜，把前面的激光器发出来的光调制成线偏振光(102)；一光弹调制器，把线偏振光调制成50kHz左旋和右旋圆偏振光，并提供锁相放大器(104)触发信号(103)；一锁相放大器，用来测量样品偏振相关电子输运电压(104)；一锁相放大器，用来测量样品光伏电压(105)；一数字电压表，测量样品直流偏压(106)；一恒流源，用来给样品施加偏置电流(107)；一显微物镜，用来聚焦激光，使其照射到样品上(108)；一斩波器，调制入射光强，并提供锁相放大器(105)触发信号(109)；一白光光源，用来照射样品，以便于摄像机和显示器(112)能清楚显示激光照射样品的位置(110)；一两个半反半透镜组，用来把激光和白光汇合后照射样品，且把反射光成像到摄像机和显示器(111)；一摄像机和显示器，用来显示和记录激光照射样品位置(112)；一可变磁场样品座，安放样品的地方，且施加不同磁场于样品上(113)。
2. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，用经过光弹调制器(103) 后变成的左旋和右旋交替变化的偏振光激发样品，在半导体中得到自旋极 化电子，通过恒流源(107)调控半导体中电子的流向，外加磁场控制铁 磁金属的磁化强度方向；利用锁相放大器(104)、锁相放大器(105)和 数字电压表(106)测量出固定磁场中，不同大小和方向偏压下，电子自 旋的注入和滤波效率。
3. 根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，利用白光光源(110)， 两个半反半透组(111)，以及摄像机和显示器(112)构成监视光路，观 察激光照射到样品中台面的位置。
4. 根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，利用斩波器(109) 和锁相放大器(105)，测量光照样品产生的光伏效应，对比直流光伏响应 信号，保证测量过程的正确性。
5. 根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，利用可变磁场样 品座(113)，测量光照样品光电压在不同磁场下的随直流电压的变化。
全文摘要
本发明是一套测量电子自旋注入和滤波的显微测量系统。所述显微测量系统用渥拉斯顿棱镜作为光起偏器，把一束HeNe激光变成线偏振光，然后使线偏振光通过与其成45度夹角的光弹调制器，根据光学原理，偏振光变成50kHz调制的左右旋圆偏振光，圆偏振光照射样品，样品中产生自旋极化的电子；在反向电场的驱动下，铁磁金属向半导体中注入自旋极化电子，但是由于半导体在圆偏振光的照射下会有50％的自旋极化电子，从而会对注入的自旋极化电子产生磁阻效应；在正向电场的驱动下，半导体中光照产生的自旋极化电子向铁磁这边驱动，受铁磁中极化电子的影响，会滤除与其自旋方向相反的注入电子。
文档编号G01R31/26GK101452043SQ200710178300
公开日2009年6月10日 申请日期2007年11月29日 优先权日2007年11月29日
发明者剑 刘, 飞 张, 威 扬, 李桂荣, 肖文波, 谭平恒, 郑厚植 申请人:中国科学院半导体研究所