一种光斑均匀度探测器件及其制造方法和应用与流程

本发明涉及一种自旋电自学中自旋探测领域，涉及一种光斑均匀度探测器件及其制造方法和应用，尤其涉及光与电子相互作用方面的自旋输运相关器件。

背景技术：

传统的光斑均匀度探测一半采用测量光斑不同位置的光功率来实现，其探测系统一般较为复杂。在对光斑均匀度的探测中，人们有时对具体的光强并不感兴趣，而主要关注光斑是否均匀，光斑分布的不均匀会引入光强梯度。

通过非磁/磁(nm/m)双层膜结构测量温度梯度的工作原理并非是传统的热电效应，而是和自旋相关的输运现象决定的，而且和自旋塞贝克效应(sse)不同，自旋塞贝克效应电压信号的大小虽然正比于温度梯度的大小，而光斑引起的温度梯度一般是非常小的，且其灵敏度远小于本发明所述的可探测光斑均匀度的器件，很难应用于温度梯度的测量。

在以pd等顺磁金属为自旋探测层的nm/m双层膜结构中，由于磁临近效应(mpe)，在pd/m界面附近的pd薄层内，会存在净磁矩不为0的现象，在合适波长的光照下，会由于逆自旋霍尔效应(ishe)产生逆自旋霍尔效应电压vishe，与此同时，v-h曲线中还会产生和磁场相关的斜率信号。该斜率信号不仅和磁场有关，还和面内的光斑光强梯度▽iin有关，而且具有很高的灵敏度。当光斑的光强梯度▽iin方向发生改变时，v-h曲线的斜率符号也会发生变化。当光斑的光强梯度▽iin大小发生改变时，v-h曲线的斜率绝对值的大小也会发生变化。同时，磁场方向发生改变时，v-h曲线的斜率值变化，随着外磁场角度呈一次三角函数sin关系。故通过v-h曲线的斜率值可以灵敏地探测出局域的温度梯度值及外磁场的方向。

技术实现要素：

因此，本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种光斑均匀度探测器件及其制造方法和应用。

在阐述本发明内容之前，定义本文中所使用的术语如下：

术语“ggg”是指：钆镓石榴石。

术语“yig”是指：钇铁石榴石。

术语“py磁性金属”是指：nife合金。

为实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种光斑均匀度探测器件，所述光斑均匀度探测器件为双层膜结构，包括：

衬底，和衬底上依次设置的：

磁性层，设置于衬底上；和

自旋探测层，设置于磁性层上；

其中，所述所述磁性层位于所述衬底和自旋探测层之间，所述磁性层和所述自旋探测层保持良好的界面接触。

根据本发明第一方面的光斑均匀度探测器件，其中，所述衬底为界面平整的绝缘衬底；优选地，所述衬底材料选自以下一种或多种：ggg，al2o3、sio2，玻璃，srtio3；最优选地，所述衬底材料为ggg；和/或

所述衬底厚度为0.1～1mm，优选为0.3～0.7mm，最优选为0.5mm。根据本发明第一方面的光斑均匀度探测器件，其中，所述磁性层材料选自铁磁或亚铁磁材料；优选地，所述磁性层材料选自以下一种或多种：yig磁性绝缘体、py磁性金属，fe，co，ni；最优选地，所述磁性层材料为yig；和/或

所述磁性层厚度为10～8000nm，优选为10～4000nm，最优选为3230nm。

根据本发明第一方面的光斑均匀度探测器件，其中，所述自旋探测层材料具有足够大的磁临近效应，优选选自自旋轨道耦合较强的顺磁金属；更优选地，所述自旋探测层材料选自以下一种或多种：pt，pd，ir，w，拓扑绝缘体；最优选地，所述自旋探测层材料为pt或pd；和/或

所述自旋探测层材料为2-15nm，优选为2～5nm，最优选为3nm。

本发明的第二方面提供了第一方面所述的光斑均匀度探测器件的制备方法，该制备方法可以包括以下步骤：

(1)采用液相外延的方式在所述衬底上制备所述磁性层；

(2)采用磁控溅射法在步骤(1)制得的包含磁性层的衬底上制备自旋探测层；

(3)通过光刻及反应离子刻蚀工艺将自旋探测层制备成矩形细长条的性质，得到所述光斑均匀度探测器件。

根据本发明第二方面的制备方法，其中，所述步骤(1)中，所述液相外延方法包括：

(a)将磁性层材料和助熔剂混合物在坩埚中加热，使其熔化，并使溶液足够均匀化；

(b)降温获得过饱和溶液，然后将准备好的ggg基片浸渍于溶液中并旋转，即可在基片上外延生成yig薄膜；

(c)用离心机除去基片上的残留物，最终获得yig单晶外延薄膜；

优选地，所述步骤(a)中加热温度为1000～1500℃，优选为1000～1300℃，最优选为1100℃。

根据本发明第二方面的制备方法，其中，所述步骤(2)中，所述所述衬底先用丙酮和酒精分别加热超声1分钟。

根据本发明第二方面的制备方法，其中，所述步骤(3)中，所述矩形细长条的宽度为0.1～1mm，优选为0.1～0.5mm，最优选为0.3mm。

本发明的第三方面提供了一种光斑均匀度探测方法，所述方法使用第一方面所述的光斑均匀度探测器件，并且所述方法包括：

(a)把所述光斑均匀度探测器件置于样品托上，使紧密均匀接触；

(b)通过氙灯光源提供一光斑，在垂直于矩形条场长边的方向施加外磁场，通过银胶引出pt线测量电压，并测量样品条长边两端的电压信号随着外磁场h的变化关系曲线v-h；

(c)移动光源位置或移动样品的方式来探光斑光强分布，样品每移动一个位置，测量其v-h曲线，提取其中的斜率变化情况，即可得到温度场的分布数据。

本发明的第四方面提供了一种光斑均匀度探测装置，所述装置包括如第一方面所述的光斑均匀度探测器件。

本发明提供了一种可探测光斑均匀度的器件，该可探测光斑均匀度的器件包括：

衬底；

磁性层；

自旋探测层；

其中所述衬底一般为界面平整的绝缘衬底，如ggg、al2o3、sio2等。所述磁性层为常见铁磁或者亚铁磁材料，如yig磁性绝缘体或者py磁性金属等。所述自旋探测层为常见自旋轨道耦合较强的顺磁金属，如pt、pd等。

其中所述磁性层位于所述衬底和自旋探测层之间，所述磁性层和所述自旋探测层应保持良好的界面接触，以保证自旋探测层内的净磁矩尽可能的大，所述自旋探测层的厚度一般在2-15nm。

所述磁性层的选择，适当的磁性材料可以和所述自旋探测层形成良好的界面接触，使自旋探测层内的净磁矩尽可能的大。

所述磁性层厚度为10-8000nm。

所述自旋探测材料，应当具有足够大的磁临近效应，可以为pd、pt等顺磁材料。

自旋探测层厚度为2-15nm。

本发明还提供了一种光斑均匀度探测器件的制备方法，包括以下步骤：

(1)在包含所述磁性层的衬底上沉积一层自旋探测层，生长速度约1nm/min，

(2)通过光刻及反应离子刻蚀工艺将自旋探测层制备成矩形细长条的形状，

(3)通过银胶将白金线与样品相连，进行电压信号的采集。

步骤(1)中，所述衬底先用丙酮和酒精分别加热超声1分钟。

步骤(2)中，所述矩形长条为0.3mm×3mm。

所述制造方法在室温下进行。

本发明提供了一种新的测量温度梯度值的方法，与现有的测量温度梯度的方法相比具有结构简单，可以实时测量局域的光场光强分布，并可以探测磁场方向。同时，本发明提供了该温度场测量单元的制备方法、操作方法和应用。

本发明提供了一种探测温度场的单元，该单元包含：

绝缘衬底；

位于所述绝缘衬底上的磁性薄膜；

位于所述磁性薄膜上的自旋探测层。

其中，所述绝缘衬底表面平整光滑，所述磁性薄膜饱和磁化强度尽可能的大。所述自旋探测层应具有足够强的磁临近效应。所述衬底和所述磁性层可以具有相同的横截面积。所述自旋探测层的横截面积通过微加工工艺制备成适当大小的矩形长条，自旋探测层薄膜的面积可根据光斑大小和实际测量需要来选择，一般情况下要小于光斑面积。对于探测精度较高的场合，其长宽比可适当增大。

根据本发明的温度场探测元件，自旋探测层的厚度为2-15nm，自旋探测层样品条一般为矩形长条，主要用来探测一维光场光强分布，长宽比可选择为5-30，适当增加长宽比可以减弱非测量维度的光场的影响，使测量准确度提高。如果需要测量二维方向的光场光强分布，则可以制备相互垂直的两个矩形长条即可，也可以通过一位样品条旋转90°来实现。

所述磁性薄膜厚度一般为10-8000nm(例如对于液相外延法制备的yig，厚度一般在3μm附近，对于磁控溅射所制备的磁性薄膜可在纳米或微米量级)。所述磁性薄膜的衬底一般选择绝缘体(例如ggg、al2o3、sio2)，厚度一般为0.5mm附近。

本发明还提供了上述光斑均匀度测量元件的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)在所述绝缘衬底上制备出磁性薄膜(例如yig、py)，可以通过原子力显微镜观察磁性薄膜的表面平整度，需要注意的是，磁性薄膜的质量对自旋相关的信号影响巨大；

(2)在所述磁性薄膜上制备出自旋探测层(如pd或pt薄膜)；所述磁性薄膜/衬底先用丙酮和酒精分别加热超声1min，然后用紫外光清洗机在35℃下清洗13.5min；

(3)通过紫外光刻在所述自旋探测层薄膜上制备出矩形长条，其横截面积一般小于待探测光斑的面积；

(4)采用反应离子刻蚀所述自旋探测层薄膜，以获得横截面积适当的的矩形状自旋探测层样品，从而得到所述的温度场探测元件。

根据本发明的制备方法，步骤(1)中通过液相外延法或磁控溅射法制备磁性层。

根据本发明的制备方法，步骤(1)中通过液相外延法或磁控溅射法制备磁性层。

根据本发明的制备方法，步骤(2)中通过磁控溅射法制备磁性层，厚度为2-15nm。

本发明的光斑均匀度探测器件可以具有但不限于以下有益效果：

本样品单元采用金属/磁性绝缘体双层膜实现，结构简单且几乎没有热电流的影响，不仅可以灵敏的探测光强梯度的大小及方向，还可以检测局域磁场的大小及方向。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：

图1示出了本发明试验例1样品测量示意图的前视图(a)和俯视图(b)。

图2示出了本发明试验例1光源分别位于偏左(a)、居中(b)、偏右(c)位置照射pd/yig样品φ＝90°对应的v-h曲线。

图3示出了本发明试验例1光源分别位于偏左(a)、居中(b)、偏右(c)位置照射pt/yig样品φ＝90°对应的v-h曲线

图4示出了本发明试验例1光源位于偏左(a)、偏右(b)位置照射pd/yig样品对应的斜率信号和瞬变电压信号随着光透射率变化情况。

图5示出了本发明试验例1光源位于偏左(a)、偏右(b)位置照射pd/yig样品对应的斜率信号和瞬变电压信号随着外磁场角度的变化情况。

具体实施方式

下面通过具体的实施例进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。

本部分对本发明试验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性的描述。虽然为实现本发明目的所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的，但是本发明仍然在此作尽可能详细描述。本领域技术人员清楚，在上下文中，如果未特别说明，本发明所用材料和操作方法是本领域公知的。

以下实施例中使用的材料和仪器如下：试剂：

yig(单晶薄膜)、ggg购自合肥科晶有限公司，

pd，pt，购自合纵新材；

丙酮、酒精，购自北京市通广精细化工公司。

仪器：氙灯光源，购自北京卓立汉光仪器有限公司，型号lpx150arclamp；电压表，购自keithley仪器公司，型号2182ananovoltmeter；

磁控溅射仪，购自kurtj.lesker公司、型号pvd75。

实施例1

本实施例用于说明本发明光斑均匀度探测器件的制备方法。

磁性层一般为yig材料，自旋探测层可为具有足够大磁临近效应的材料，优选地，自旋探测层为pd或者pt。

自旋探测层薄膜的横截面积应小于待探测光斑面积，本实施例中自旋探测层的横截面积为3×0.3mm²。

如上述所述器件的磁性层可通过液相外延的方式制备，自旋探测层可采用磁控溅射的pvd(物理气相沉积)制备，厚度在三纳米附近。

在测量过程中，如上述所述器件至于一平整的cu样品托上，光源位于样品正上方，可以通过移动光源或者样品来改变样品所处的光场位置。

本实施例提供一种光斑均匀度探测器件，其通过以下步骤制备：

(1)首先将yig和助熔剂混合物在坩埚中加热至1100℃左右，使其熔化，待溶液足够均匀化后，降温获得过饱和溶液，将ggg基片浸渍于溶液中并旋转，最终获得yig/ggg衬底。用离心机除去基片上的残留物，最终获得yig单晶外延薄膜。yig/ggg衬底先用丙酮和酒精分别加热超声1min，然后再用紫外光清洗机清洗13.5min，然后再yig衬底上制备自旋探测层。

(2)采用磁控溅射法(均使用pvd75磁控溅射仪，购kurtj.lesker公司)制备自旋探测层，自旋探测层厚度一般为3nm。其中，对于pd薄膜，功率为25w，生长速率为0.92nm/min，对于pt薄膜，功率为8w，生长速率为2.34nm/min。

(3)紫外光刻，首先在所制备的样品表面涂一层光刻胶，光刻胶厚度一般为1-4μm，优选的为2μm附近，当样品特征尺寸较小时，应选择较薄的光刻胶，光刻胶为正胶s1813或者az6130。对于s1813,去水温度为180℃，时间为5-10分钟，优选的为7-8min，最优选为7.5min，前烘温度为110℃，时间为1min。对于az6130,去水温度为180℃，时间为5-10分钟，优选的为7-8min，最优选为7.5min，前烘温度为110℃，时间为3min后，通过紫外光曝光及显影工艺把掩模版上的矩形长条图形转移到光刻胶上所述矩形长条尺寸为0.3mm×3mm。

(4)采用反应离子刻蚀所述自旋探测层，制备出最终的0.3mm×3mm的矩形长条状薄膜。

试验例1

本实施例用于说明本发明光斑均与度探测器件的操作方法。

本实施例光斑均匀度探测器件通过以下步骤操作：

(1)把pd(或pt)/yig/ggg测量元件置于材质均匀的cu样品托上，通过羧醛胶使之与cu样品托紧密均匀接触，以保证光的散射及反射环境尽量简单，从而更加准确地对待测光斑进行探测。

(2)通过氙灯光源提供一光斑，在垂直于pd(或pt)矩形条场长边的方向施加外磁场，并测量pd(或pt)样品条长边两端的电压信号随着外磁场h的变化关系曲线v-h。

(3)电压的测量通过银胶引出pt线，需要两根pt线，每根pt线的其中一端附上银胶，分别粘附在样品的两端，然后在423k的温度下烘烤30分钟，两根pt线和电压表相连，实现电压测量。

(4)v-h曲线中包括两种信号，分别是h＝0附近的瞬变电压信号v和dv/dh斜率信号，一般情况下在光源和pd(或pt)/yig/ggg探测元件的相对位置不动时(即样品处的光强不变时)，dv/dh斜率信号为一常数。

(5)瞬变电压信号v和面内光强梯度▽iin方向无关，仅和样品所处的光强大小有关，但是其数值较小且随着光强变化的灵敏度较小，故不通过此瞬变电压来探测光斑的不均匀度。探测光斑的不均匀度主要通过斜率信号的变化来实现。

(6)通过氙灯光源照射pd(或pt)/yig样品，约照射1分钟后，样品的温度基本稳定，所测电压信号的背景值基本稳定，可以开始测量v-h曲线。

(7)外磁场方向垂直于矩形样品条的长边，磁场扫场范围为[-40oe，40oe]。移动光源位置可以改变pd(或pt)/yig样品处的光强，对不同光强照射下的样品采集数据，即可得到斜率不同的v-h曲线。也可采用移动样品的方式来探光斑光强分布，样品每移动一个位置，测量其v-h曲线，提取其中的斜率变化情况，即可得到温度场的分布数据，二者是等效的，此处均采用样品不动而移动光源的方式进行光斑强度分布的探测。

(8)根据本发明，对于矩形细长条样品，测量的温度梯度为样品长边方向的温度梯度。故改变样品条场边的方向，即可测量不同方向的光强梯度。减小样品条长度可以探测更小范围内的光强梯度，具体尺寸的选择根据待测光斑的大小及对光斑均匀性要求的大小而定。样品的大小直接决定了光强的测量精度，一般情况下，应保证样品的长边长度小于光斑的特征尺寸，当对测量精度要求较高时，应保证薄膜的面积远小于光斑的面积。

图1所示为光斑均匀度探测器件的结构及测量示意图。如图1所示，光斑均匀度探测器件一般为双层膜结构，主要包含磁性层3.23μm和自旋探测层3nm。样品放置于样品托上，光源位于样品上方，光斑照射于样品正面，所述样品托一般具有表面光滑平整及热导率高等特点，以尽量减少热效应带来的影响。所述光源一般光谱范围在200-2000nm(例如氙灯光源、卤素灯光源等)

图2(a)、2(b)、2(c)示出了在图1照射条件下，光源分别在偏左、中间、偏右三个位置时的pd(3nm)/yig/ggg的v-h曲线，光斑中心为光强最强点，可以看出，当光源偏左和光源偏右时，光强梯度的方向恰好相反，其对应的v-h曲线的斜率值也是反号的。当样品左右两端所处的光强相同时，即对应图2(b)，其v-h曲线的斜率值为0。

图3(a)、2(b)、2(c)示出了在图1照射条件下，光源分别在偏左、中间、偏右三个位置时的pt(3nm)/yig/ggg的v-h曲线，可以看到，相同厚度的pt薄膜内的瞬变电压大小和斜率信号大小明显大于pd，在光斑均匀度探测方面具有更大的灵敏度，可用于对灵敏度要求较高的探测中。

图4示出了pd(3nm)/yig/ggg的瞬变电压及斜率信号的大小随着光通过衰减片到达样品时光的透射率的变化关系曲线，主要用来说明斜率信号和光强相关，当光强发生变化时，斜率信号及瞬变电压大小均发生变化，且随着功率的变化关系为线性变化。根据这一点可以实现光斑中心或光斑最强点的探测。

图5示出了斜率信号及瞬变电压随着外磁场角度的变化关系。当磁场方向发生变化时，斜率值的大小及斜率的符号均会发生变化，且随着磁场方向呈sinφ关系变化，可以根据斜率信号的大小来判断磁场的大小和方向，可用于磁场方向的探测。

尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。