一种孔洞形磁隧道结太赫兹波探测器的制作方法

1.本发明涉及太赫兹波探测领域，具体涉及一种孔洞形磁隧道结太赫兹波探测器。


背景技术：

2.太赫兹波是指频率在0.1-10thz范围内、波长范围在3毫米-20微米范围内的电磁波，太赫兹波位于毫米波与红外波之间。太赫兹波是人类尚未大规模使用的一段电磁频谱资源，太赫兹波有着极为丰富的电磁波与物质间的相互作用效应，不仅在基础研究领域，而且在应用领域具有广阔的应用前景。
3.太赫兹波探测是太赫兹波应用的重要一环。常规太赫兹辐射源存在低功率输出和较高的热辐射噪声，因此需要高灵敏度的太赫兹波探测器。
4.石墨烯是由单层碳原子紧密堆积而成二维蜂窝状晶格结构的单晶功能材料。石墨烯的等离子振荡和太赫兹科学息息相关。当载流子浓度适中时，石墨烯内部的等离子体振荡频率正好落在太赫兹波段内，以实现太赫兹波探测。
5.传统基于石墨烯的太赫兹波探测器的原理是：石墨烯中的等离子振荡产生热，改变了石墨烯的导电特性，通过石墨烯导电特性的变化实现太赫兹波探测。由于温度对石墨烯导电特性的改变小，太赫兹波探测的灵敏度低。


技术实现要素：

6.为解决以上问题，本发明提供了一种孔洞形磁隧道结太赫兹波探测器，包括反铁磁层、钉扎层、势垒层、自由层，石墨烯片，反铁磁层的材料为硬磁反铁磁材料，钉扎层置于反铁磁层上，钉扎层的材料为自旋性极化率高的金属或半金属，势垒层置于钉扎层上，自由层置于势垒层上，自由层的材料为磁各向异性弱的软磁材料，自由层中设有孔洞，石墨烯片设置在孔洞底部的势垒层上。
7.更进一步地，孔洞周期排布。
8.更进一步地，孔洞排布的周期为方形周期。
9.更进一步地，石墨烯片与自由层接触。
10.更进一步地，石墨烯片的边缘贴附在孔洞的侧面上。
11.更进一步地，还包括石墨烯层，石墨烯层置于自由层上。
12.更进一步地，石墨烯层与石墨烯片之间设有间隙。
13.更进一步地，自由层的材料为nife合金、cofe合金、cofeb合金。
14.更进一步地，钉扎层的材料为co、fe、cofe、cofeb、cofeal合金。
15.更进一步地，反铁磁层的材料为irmn、ptmn、femn。
16.本发明的有益效果：本发明提供了一种孔洞形磁隧道结太赫兹波探测器，包括反铁磁层、钉扎层、势垒层、自由层，石墨烯片，反铁磁层的材料为硬磁反铁磁材料，钉扎层置于反铁磁层上，钉扎层的材料为自旋性极化率高的金属或半金属，势垒层置于钉扎层上，自由层置于势垒层上，自由层的材料为磁各向异性弱的软磁材料，自由层中设有孔洞，石墨烯
片设置在孔洞底部的势垒层上。在本发明中，钉扎层、势垒层、自由层形成磁隧道结。应用时，应用固定磁场作用于本发明；同时应用待测太赫兹波照射石墨烯片。通过测量太赫兹波照射时和无太赫兹波照射时，磁隧道结的磁电阻的差异，确定待测太赫兹波的强度或波长。在本发明中，石墨烯片吸收太赫兹波，从而产生热，从而改变了势垒层的量子隧穿特性，从而改变了磁隧道结的磁电阻。因为磁隧道结的磁电阻严重地依赖于势垒层的量子隧穿特性，所以本发明具有太赫兹波探测灵敏度高的优点。在本发明中，石墨烯片用以吸收太赫兹波，并产生热，从而改变势垒层的量子隧穿特性，相对空间分布均匀地对势垒层的温度进行改变，相对空间分布均匀地改变势垒层的量子隧穿特性，所测结果的噪声小。
17.以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
18.图1是一种孔洞形磁隧道结太赫兹波探测器的示意图。
19.图2是又一种孔洞形磁隧道结太赫兹波探测器的示意图。
20.图中：1、反铁磁层；2、钉扎层；3、势垒层；4、自由层；5、石墨烯片；6、石墨烯层。
具体实施方式
21.下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
22.实施例1
23.本发明提供了一种孔洞形磁隧道结太赫兹波探测器，如图1所示，包括反铁磁层1、钉扎层2、势垒层3、自由层4，石墨烯片5。反铁磁层1的材料为硬磁反铁磁材料，具体地，反铁磁层1的材料为irmn、ptmn、femn。钉扎层2置于反铁磁层1上。钉扎层2的材料为自旋性极化率高的金属或半金属，具体地，钉扎层2的材料为co、fe、cofe、cofeb、cofeal合金。势垒层3置于钉扎层2上。势垒层3的材料为氧化铝或氧化镁，势垒层3的厚度小于3纳米，以便于消除钉扎层2和自由层4之间的磁交换耦合，并且能够在钉扎层2和自由层4之间形成量子隧穿。自由层4置于势垒层3上。自由层4的材料为磁各向异性弱的软磁材料，具体地，自由层4的材料为nife合金、cofe合金、cofeb合金。自由层4中设有孔洞，孔洞周期排布，具体地，孔洞排布的周期为方形周期。石墨烯片5设置在孔洞底部的势垒层3上。孔洞的深度大于石墨烯片5的高度。也就是说，石墨烯片5设置在孔洞内，这样一来，孔洞的侧面对太赫兹波也具有会聚作用，从而使得更多的太赫兹波照射在石墨烯片5上，从而使得石墨烯片5产生更多的热。
24.在本发明中，钉扎层2、势垒层3、自由层4形成磁隧道结。应用时，应用固定磁场作用于本发明；同时应用待测太赫兹波照射石墨烯片5。通过测量太赫兹波照射时和无太赫兹波照射时，磁隧道结的磁电阻的差异，确定待测太赫兹波的强度或波长。在本发明中，石墨烯片5吸收太赫兹波，从而产生热，从而改变了势垒层3的量子隧穿特性，从而改变了磁隧道结的磁电阻。因为磁隧道结的磁电阻严重地依赖于势垒层3的量子隧穿特性，所以本发明具有太赫兹波探测灵敏度高的优点。
25.在制备本发明时，在已经制备获得的磁隧道结上，利用离子束刻蚀的方法制备孔洞，然后在孔洞中设置石墨烯片5，即可获得本发明的太赫兹波探测器，因此制备方法简单。
26.在本发明中，石墨烯片5用以吸收太赫兹波，并产生热，从而改变势垒层3的温度，进而改变势垒层3的量子隧穿特性，从而实现太赫兹波探测。本发明中，核心还是势垒层3的
量子隧穿特性的改变，石墨烯片5相对均匀地分布在势垒层3上，所测信号的噪声小。
27.在本发明中，石墨烯片5处于孔洞中，不易受到外界物体的损害，提高了本发明的寿命。
28.在本发明中，自由层4中的孔洞还部分地具有聚集太赫兹波的作用，从而使得石墨烯片5吸收更多的太赫兹波，产生更多的热量，从而更多地改变势垒层3的量子隧穿特性。
29.实施例2
30.在实施例1的基础上，石墨烯片5与自由层4接触。由于石墨烯材料具有良好的导电特性。石墨烯片5与自由层4接触后，自由层4中的电子也可以通过石墨烯片5，然后再通过势垒层3实现量子隧穿。这样一来，当石墨烯片5吸收太赫兹波、产生热后，将更多地改变从势垒层3量子隧穿通过的电子数目，相当于更多地改变磁隧道结的磁电阻，从而实现更高灵敏度的太赫兹波探测。
31.更进一步地，石墨烯片5中设有开孔。这样一来，在石墨烯片5上更容易形成局域表面等离激元共振，增强了石墨烯片5对太赫兹波的吸收，从而在石墨烯片5中产生更多的热，更多地改变磁隧道结的磁电阻，从而实现更高灵敏度的太赫兹波探测。
32.更进一步地，石墨烯片5中石墨烯的层数少于4层，更进一步地，石墨烯片5中石墨烯的层数少于3层，以便于电子从石墨烯片5中量子隧穿穿过。
33.更进一步地，在石墨烯片5的边缘，自由层4的材料还覆盖石墨烯片5。这样一来，自由层5限制了石墨烯片5边缘的电磁场，使得电磁场更多地聚集在石墨烯片5的边缘，从而使得石墨烯片5产生更多的热，进而使得势垒层3的量子隧穿特性改变更多，从而提高太赫兹波探测的灵敏度。
34.实施例3
35.在实施例2的基础上，如图2所示，还包括石墨烯层6，石墨烯层6置于自由层4上，石墨烯层6与石墨烯片5之间设有间隙。石墨烯层6中石墨烯的层数少于10层，更进一步地，石墨烯层6中石墨烯的层数少于5层。这样一来，石墨烯层6不仅可以作为电极测量磁隧道结的磁电阻，而且可以用来和石墨烯片5一起聚集太赫兹波，也就是说，太赫兹波聚集在石墨烯层6和石墨烯片5之间，在石墨烯层6和石墨烯片5之间形成强太赫兹波，从而造成石墨烯片5和石墨烯层6对太赫兹波的强吸收，从而产生更多的热，更多地改变势垒层3的量子隧穿特性和自由层4内的自旋状态，从而更多地改变磁隧道结的磁电阻，从而实现更高灵敏度的太赫兹波探测。
36.更进一步地，石墨烯片5的边缘贴附在孔洞的侧面上。这样一来，石墨烯片5形成凹形结构，增强了石墨烯片5对入射太赫兹波的限制作用，使得石墨烯片5对待测太赫兹波产生更多的吸收，从而更多地改变势垒层3的量子隧穿特性；由于石墨烯片5与自由层4具有更好的接触，自由层4中的电子更多地通过石墨烯片5后，从势垒层3量子隧穿穿过，从而更多地改变了磁隧道结的磁电阻，从而实现了更高灵敏度的太赫兹波探测。
37.上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。