一种区分拓扑绝缘体Sb2Te3的圆偏振光致电流和光子拽曳电流的方法与流程

本发明涉及自旋电子学领域，特别是一种区分拓扑绝缘体sb2te3的圆偏振光致电流和光子拽曳电流的方法。

背景技术：

拓扑绝缘体由于其具有奇异的物理性质以及在量子计算、自旋电子学等领域的潜在应用前景，受到人们的广泛关注。sb2te3是一种新型的三维拓扑绝缘体。其表面态是完全极化的狄拉克电子态，且其自旋和动量的方向是锁定的。这种表面态能够极大的抑制非磁性杂质的散射，因此，其表面电子具有非常高的电子迁移率。这使得表面态在新型电子器件和量子计算等领域具有非常好的应用前景。

圆偏振光致电流技术(记为cpge)是一种研究拓扑绝缘体表面态的十分有效的手段。因为，通常的拓扑绝缘体由于本身的缺陷或者环境的掺杂，导致其体态并不是绝缘的，从而测得的电流信号也含有体态电子的贡献，从而难以将表面态的信号提前出来。而cpge却可以将表面态的信号分离出来，这是因为表面态属于c3v点群对称性，而体态属于d3d点群对称性，而cpge只会在c3v点群对称的系统中产生。因此，cpge是一种研究拓扑绝缘体表面态的有效手段。

然而，现在的问题是，在cpge的测量过程中，还会混入另一种圆偏振光引起的光电流信号，即光子拽曳电流信号(记为cpde信号)。cpde信号具有与cpge信号完全不同的物理起源，cpde是指圆偏振光子将自己的平移动量传递给电子而产生的电流。在d3d和c3v对称性的体系中都会产生cpde电流。而cpge电流的产生起源于光学跃迁中角动量守恒使得光子的角动量转化为光生载流子的平移运动。它只会在c3v对称性的体系中产生，而不会在d3d对称性的体系中产生。在实际的测量中，由圆偏振光激发产生的光电流中，通常含有cpge和cpde这两个成分，但是，目前还没有一种有效的手段对其进行区分。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提出一种区分拓扑绝缘体sb2te3的圆偏振光致电流和光子拽曳电流的方法，实现方便，成本低，测量结果准确。

本发明采用以下方案实现：一种区分拓扑绝缘体sb2te3的圆偏振光致电流和光子拽曳电流的方法，包括以下步骤：

步骤s1：获取拓扑绝缘体sb2te3样品，并在所述拓扑绝缘体sb2te3样品上用磁控溅射生长10nm的钛电极；用电子束蒸发镀100nm的金电极，所述钛电极与所述金电极形成边长为0.5mm的正方形电极，所述钛电极与所述金电极的电极间距约为2.5mm；

步骤s2：采用1064nm的激光作为激发光源即入射激光，所述入射激光通过斩波器、起偏器和四分之一波片照射在步骤s1中样品上所述钛电极与金电极连线中点的位置；所述入射激光光斑直径小于两电极间距；

步骤s3：改变所述入射激光的入射角θ0；在每一个入射角θ0上，从0度到360度转动四分之一波片，以5度为一个步长，将每一个四分之一波片角度下的光电流通过电流放大器进行放大，并通过外部终端对放大后的光电流进行采集；

步骤s4：将每一个入射角θ0下的光电流利用公式(1)进行拟合：

j＝jcsin(2φ)+l1sin(4φ)+l2cos(4φ)+j0

(1)

其中，jc是圆偏振光激发引起的电流，l1和l2是线偏振光激发引起的电流，j0是由于光伏效应和热电效应引起的背景电流；

步骤s5：将正入射角+θ0下的圆偏振光引起的电流jc(+θ0)加上负入射角-θ0下的圆偏振光引起的电流jc(-θ0)再除以2，得到光子拽曳电流随入射角为偶函数的分量，记为jcpde2，即：

jcpde2＝[jc(+θ0)+jc(-θ0)]/2；

(2)

步骤s6：将正入射角+θ0下的圆偏振光引起的电流jc(+θ0)减去负入射角-θ0下的圆偏振光引起的电流jc(-θ0)再除以2，得到圆偏振光致电流记为jcpge和光子拽曳电流随入射角为奇函数的分量记为jcpde1的和，即：

jcpge+jcpde1＝[jc(+θ0)-jc(-θ0)]/2；

(3)

步骤s7：分别得到所述圆偏振光致电流jcpge随所述入射角的关系和所述光子拽曳电流随入射角为奇函数的分量jcpde1的变化关系；

步骤s8：对所述圆偏振光致电流jcpge和所述光子拽曳电流随入射角为奇函数的分量jcpde1进行区分。

进一步地，步骤s3中所述改变所述入射激光的入射角θ0具体为：从正30度到负30度，以10度或5度为一个步长改变所述入射激光的入射角。

进一步地，所述步骤s7具体内容为：由于圆偏振光致电流jcpge随入射角呈现公式(4)变化关系：

jcpge∝tptssinθ0/n

(4)

而光子拽曳电流随入射角为奇函数分量jcpde1的变化关系如公式(5)所示：

其中，ts、tp分别为s波和p波在sb2te3中的透射系数，n为sb2te3的折射率。

进一步地，所述步骤s8具体内容为：将所述步骤s6由公式(3)得到的光电流作为纵坐标，分别以所述tptssinθ0/n和作为横坐标作图；并进行线性拟合，若tptssinθ0/n拟合得到的决定系数即判定系数或者拟合优度值较大，表明其拟合程度较好，说明所述步骤s6由公式(3)得到的光电流主要成分是圆偏振光致电流jcpge；若拟合得到的决定系数值较大，则表明所述步骤s6由公式(3)得到的光电流主要成分是光子拽曳电流随入射角为奇函数的分量jcpde1。

进一步地，所述决定系数定义如下：令y为待拟合的数据即所述步骤s6由公式(3)得到的数值，令它的均值为令拟合值为记总平方和sst为回归平方和ssr为残差平方和sse为则有sst＝ssr+sse；决定系数为

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

本发明测量结果准确，十分简单易行，成本低廉，有利于日后推广应用。

附图说明

图1为本发明实施例的实验光路示意图。

图2为本发明实施例的在入射角为-30度时对所有光电流进行拟合的示例图。

图3为本发明实施例的不同入射角下由圆偏振光激发的光电流图。

图4为本发明实施例的不同入射角的光子拽曳电流随入射角的偶函数部分图，其中的实线为拟合得数据曲线。

图5为本发明实施例的光电流分别对角度1和角度2的依赖关系图，其中的实线为线性拟合得结果。

图6为本发明实施例的圆偏振激发产生的光电流随入射角的变化关系图，其中，实线为理论拟合得曲线。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

本实施例提供了一种区分拓扑绝缘体sb2te3的圆偏振光致电流和光子拽曳电流的方法，特征在于所测量的拓扑绝缘体sb2te3生长于(111)面inp衬底上；拓扑绝缘体sb2te3用mbe设备生长；所述方法包括以下步骤：

步骤s1：获取拓扑绝缘体sb2te3样品，并在所述拓扑绝缘体sb2te3样品上用磁控溅射生长10nm的钛电极；用电子束蒸发镀100nm的金电极，所述钛电极与所述金电极形成边长为0.5mm的正方形电极，所述钛电极与所述金电极的电极间距约为2.5mm；

步骤s2：采用1064nm的激光作为激发光源即入射激光，所述入射激光通过斩波器、起偏器和四分之一波片照射在步骤s1中样品上所述钛电极与金电极连线中点的位置；所述入射激光光斑直径小于两电极间距；

步骤s3：改变所述入射激光的入射角θ0；在每一个入射角θ0上，从0度到360度转动四分之一波片，以5度为一个步长，将每一个四分之一波片角度下的光电流通过电流放大器进行放大，并通过外部终端对放大后的光电流进行采集；

步骤s4：将每一个入射角θ0下的光电流利用公式(1)进行拟合：

j＝jcsin(2φ)+l1sin(4φ)+l2cos(4φ)+j0

(1)

其中，jc是圆偏振光激发引起的电流，l1和l2是线偏振光激发引起的电流，j0是由于光伏效应和热电效应引起的背景电流；

步骤s5：将正入射角+θ0下的圆偏振光引起的电流jc(+θ0)加上负入射角-θ0下的圆偏振光引起的电流jc(-θ0)再除以2，得到光子拽曳电流随入射角为偶函数的分量，记为jcpde2，即：

jcpde2＝[jc(+θ0)+jc(-θ0)]/2；

(2)

步骤s6：将正入射角+θ0下的圆偏振光引起的电流jc(+θ0)减去负入射角-θ0下的圆偏振光引起的电流jc(-θ0)再除以2，得到圆偏振光致电流记为jcpge和光子拽曳电流随入射角为奇函数的分量记为jcpde1的和，即：

jcpge+jcpde1＝[jc(+θ0)-jc(-θ0)]/2；

(3)

步骤s7：分别得到所述圆偏振光致电流jcpge随所述入射角的关系和所述光子拽曳电流随入射角为奇函数的分量jcpde1的变化关系；

步骤s8：对所述圆偏振光致电流jcpge和所述光子拽曳电流随入射角为奇函数的分量jcpde1进行区分。

在本实施例中，步骤s3中所述改变所述入射激光的入射角θ0具体为：从正30度到负30度，以10度或5度为一个步长改变所述入射激光的入射角。

在本实施例中，所述步骤s7具体内容为：由于圆偏振光致电流jcpge随入射角呈现公式(4)变化关系：

jcpge∝tptssinθ0/n

(4)

而光子拽曳电流随入射角为奇函数分量jcpde1的变化关系如公式(5)所示：

其中，ts、tp分别为s波和p波在sb2te3中的透射系数，n为sb2te3的折射率。

在本实施例中，所述步骤s8具体内容为：所述步骤s8具体内容为：将所述步骤s6由公式(3)得到的光电流作为纵坐标，分别以所述tptssinθ0/n和作为横坐标作图；并进行线性拟合，若tptssinθ0/n拟合得到的决定系数即判定系数或者拟合优度值较大，表明其拟合程度较好，说明所述步骤s6由公式(3)得到的光电流主要成分是圆偏振光致电流jcpge；若拟合得到的决定系数值较大，则表明所述步骤s6由公式(3)得到的光电流主要成分是光子拽曳电流随入射角为奇函数的分量jcpde1。

在本实施例中，所述决定系数定义如下：令y为待拟合的数据即所述步骤s6由公式(3)得到的数值，令它的均值为令拟合值为记总平方和sst为回归平方和ssr为残差平方和sse为则有sst＝ssr+sse；决定系数为

较佳的，本实施例用1064nm的激光通过起偏器和四分之一波片后照射在样品上，通过转动四分之一波片产生周期变化的偏振光，产生的光电流通过拟合提取出圆偏振激光产生的光电流。测量不同正负入射角下的圆偏振激光产生的光电流，利用圆偏振光致电流和光子拽曳电流的偶函数分量具有不用的奇偶对称性，以及利用圆偏振光致电流和光子拽曳电流的奇函数分量对入射角的不同依赖关系，将圆偏振光致电流和光子拽曳电流进行区分。

在本实施例中，如图2所示，其中，圆圈表示实验测得的光电流数据，此时入射角为-30度，激光功率为80mw，光斑大小约为1mm。实线为用公式(1)拟合得到的曲线，长虚线为通过拟合得到的圆偏振光激发产生的电流jc，短的粗虚线为通过拟合得到的l1电流，短的细虚线为通过拟合得到的l2电流，点划线为拟合得到的背景电流j0。

如图1所示样品是用分子束外延生长技术(mbe)在(111)面inp衬底上生长的sb2te3薄膜，薄膜厚度约为7nm。我们生长的sb2te3薄膜为p型导电。采用的激光器是1064nm的激光器，激光功率为80mw，光斑直接约为1mm。激光依次通过斩波器、起偏器、四分之一波片，然后照射在样品的两电极连线的中点上。斩波器的频率为231hz。

图2给出了当入射角为-30度时，测得的光电流随四分之一波片转角的变化关系。其中的圆圈是实验测得的数据，实线是用公式(1)拟合得结果。通过拟合可以得到圆偏振光激发产生的光电流jc(图中长虚线所示)，线偏振光引起的电流l1(图中粗虚线所示)和l2(图中细短虚线所示)，以及背景电流j0(图中点划线所示)。当入射角分别为-30、-20、-10、0、10、20、30度时，测得光电流随四分之一波片转角的变化关系，并用公式(1)进行拟合，可以得到不同入射角下的圆偏振光激发产生的电流jc，如图3所示。

光子拽曳电流有两部分分量组成，一个是随入射角呈奇函数变化的部分，记为jcpde1，一个是随入射角呈偶函数变化的部分，记为jcpde2。jcpde1随入射角的变化关系如公式(5)所示，jcpde2随入射角的变化关系如下式所示：

jcpde2∝(tptssinθ0/n)²。(6)

其中，ts、tp分别为s波和p波在sb2te3中的透射系数，由菲涅尔公式可得，

圆偏振光致电流jcpge在c3v体系中是入射角的奇函数，它随入射角的变化关系如下式所示：

jcpge∝tptssinθ0/n。(8)

因此，可以根据圆偏振光致电流jcpge和光子拽曳电流偶函数分量jcpde2对入射角的不同的奇偶对称性，将他们进行区分。即由步骤s5获得光子拽曳电流偶函数分量jcpde2随入射角的变化关系，如图4所示。图中的实线是用如下公式进行拟合的结果：

jcpde2＝a1(tptssinθ0/n)²+a3cos³θ0。(9)

其中，a1和a3是拟合参数，a3cos³θ0这项的引入是由于在实际的测量过程中，光斑略微偏离两电极连线中点引入的光致逆自旋霍尔电流信号，这部分的电流是随入射角呈现cos³θ0的变化关系。通过拟合，得到这个由于光斑略微偏离两电极连线中点引入的光致逆自旋霍尔电流是-0.0023na，比jcpde2小得多。

通过步骤s6获得不同入射角下的圆偏振光致电流jcpge和光子拽曳电流奇函数分量jcpde1的和。由于圆偏振光致电流jcpge和jcpde1随入射角分别呈现公式(4)和公式(5)的变化趋势，即它们对入射角的依赖关系不同，可以将步骤s6得到的光电流作为纵坐标，分别以tptssinθ0/n和作为横坐标，作图。并进行线性拟合，若前者拟合得好，则表明步骤s6得到的光电流主要成分是圆偏振光致电流jcpge，若后者占主导，则表明步骤s6得到的光电流主要成分是光子拽曳电流随入射角为奇函数的分量jcpde1。图5展示了这个实施例中由步骤s6获得的光电流分别对tptssinθ0/n(记为角度1)和(记为角度2)的依赖关系，其中的实线是线性拟合得结果。可以看出由步骤s6获得的光电流对tptssinθ0/n(即角度1)展现出更好的线性依赖关系，即对角度1的拟合得到的决定系数r²值更大，因此，可以推断，由步骤s6获得的光电流主要是成分是圆偏振光致电流jcpge。c3v体系的圆偏振光致电流jcpge随入射角的变化关系如下：

用公式10对由步骤s6获得的光电流进行拟合，拟合结果如图6中实线所示。可见，实验结果和理论结果吻合的很好，进一步表明本实施例提出的方法的可靠性。

从上述实施例中可以看出，本实施例的实现比较方便，成本低，测量较为准确。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。