铁磁半导体平面内磁各向异性的光电流测试系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于磁学和半导体自旋电子学领域，特别涉及一种铁磁半导体磁各向异性的光电流测试系统，以及一种表征铁磁半导体平面内磁各向异性的光电流方法。
【背景技术】
[0002]近来自旋电子学蓬勃发展，铁磁半导体由于其兼具半导体特性和铁磁性，在未来信息技术领域有潜在应用价值，而研究磁性物质的各向异性对以磁为媒介的信息技术有重要的意义。
[0003]目前对磁各向异性的测量手段主要有直接磁测量和间接磁输运测量，磁光克尔旋转和法拉第旋转测量，以及磁圆光二向色性测量等，但是这些方法对测量系统要求较高，需要配置专门的窗口来实现光的入射和收集，并且一般都需要低温强磁场的环境。
【发明内容】
[0004]本发明目的在于提供一种光电流测试系统以及测试方法，以克服以上所述现有技术的缺点。
[0005]为了达到上述目的，本发明提供了一种铁磁半导体平面内磁各向异性的光电流测试系统，该光电流测试系统包括:
[0006]一激光光源，为样品提供测试光源；
[0007]—光学斩波器，位于所述激光光源之后，对所述激光光源进行斩波调制；
[0008]—光学起偏器，位于所述光学斩波器之后，用于将激光光源设定成特定方向的线偏振光；
[0009]—光弹性调制器，位于所述光学起偏器之后，用于将所述光学起偏器出射的线偏振光调制成周期性偏振的圆偏振光；
[0010]—光阑，位于所述光弹性调制器之后，用于调整所述圆偏振光光斑大小；
[0011 ] —光学反射镜，位于所述光阑之后，用于调整入射光的入射角度；
[0012]—变温冷热台装置，用于放置样品，使经所述光学反射镜反射的入射光照射于所述样品上；
[0013]—直流电压源，用于给待测样品施加外电压；以及
[0014]由两台锁相放大器、计算机组成的数据采集和存储系统，包括:
[0015]第一锁相放大器，其输入端与所述样品输出的光电流信号相连，由所述光学斩波器为第一锁相放大器提供参考频率，所述第一锁相放大器用于测量普通光电流强度；
[0016]第二锁相放大器，其输入端与所述样品输出的光电流信号相连，由所述光弹性调制器为第二锁相放大器提供参考频率，所述第二锁相放大器用于测量与圆偏振光相关的光电流信号；
[0017]—数据采集卡，所述数据采集卡连接第一、第二锁相放大器的输出端，接收来自第一、第二锁相放大器输出端的数据，所述计算机控制数据采集卡对这些电学信号进行运算处理，然后保存处理结果。
[0018]根据本发明的一种具体实施方案，所述激光光源为一频率为80MHz、脉宽为140fs的锁模台蓝宝石激光器，波长范围覆盖680nm到1080nmo
[0019]根据本发明的一种具体实施方案，所述光弹性调制器的工作模式位于0.25λ，工作频率50kHz，其主轴与起偏器成45°角。
[0020]根据本发明的一种具体实施方案，所述第一锁相放大器的参考频率为斩波频率，测量普通光电流，所述第二锁相放大器的参考频率为光弹性调制器频率，测量圆偏振相关的光电流信号。
[0021]根据本发明的一种具体实施方案，所述变温冷热台设置旋转装置，用于改变光入射的方位角。
[0022]根据本发明的一种具体实施方案，所述光学反射镜为可旋转光学反射镜，用于改变光的入射角。
[0023]而且，本发明还提供一种采用以上任意一种所述的测试系统表征铁磁半导体平面内的磁各向异性的测试方法，包括:(I)调整所述光学反射镜，以改变光源入射角；(2)测量各入射角下所述样品激发的光电流。
[0024]另外，本发明还提供一种采用以上任意一种所述的测试系统表征铁磁半导体平面内的磁各向异性的测试方法，包括(I)旋转所述变温冷热台装置，以改变光源方位角；(2)测量各方位角下所述样品激发的光电流。
[0025]进一步的，本发明还提供一种采用以上任意一种所述的测试系统表征铁磁半导体平面内的磁各向异性的测试方法，其特征在于包括，(I)调整所述变温冷热台装置温度，使所述样品所处温度低于其居里温度；(2)旋转所述变温冷热台装置，以改变光源方位角和/或调整所述光学反射镜，以改变光源入射角；(3)测量各方位角、入射角下所述样品激发的光电流。
[0026]从上述方案可以看出，本发明的铁磁半导体平面内磁各向异性的光电流测试系统及方法具有以下有益效果:
[0027](I)通过本发明的测试系统和测试方法，提供了一种切实可行、无需磁场的光电流方法，用于测量铁磁半导体平面内磁各向异性，进一步得出相关磁学信息；
[0028](2)通过本测试系统，斜入射的左旋或右旋圆偏振光照射在样品表面，激发产生沿平面内极化的自旋载流子，通过测量左旋和右旋光产生光电流的差异随入射光方位角、入射角的变化，获得样品磁各向异性的信息，可以作为一种表征磁各向异性的行之有效、简单快捷的方法；
[0029](3)本发明的测试系统无需外加磁场，从而可以避免一般磁光测量中磁场引起塞曼分裂对结果的干扰；
[0030](4)本发明提供了一种简单、易操作、无需磁场的光电流测试方法，只要低于居里温度，铁磁材料存在磁性即可进行测试。
[0031]为进一步说明本发明的内容及特点，以下结合附图及【具体实施方式】对本发明作进一步的详细描述。
【附图说明】
[0032]图1是本发明的实施例1提供的铁磁半导体平面内磁各向异性的光电流测试系统结构示意图；
[0033]图2是本发明的实施例1测量过程中变入射角示意图；
[0034]图3是本发明的实施例1测量过程中变方位角示意图；
[0035]图4和图5分别是本发明的实施例1利用本发明提供的铁磁半导体平面内磁各向异性的光电流测试系统在居里温度附近的130K温度零磁场下测量易极化轴沿[1-10]的一块掺锰砷化镓(GaMnAs)样品的圆偏光电流随方位角和入射角的变化曲线图。
【具体实施方式】
[0036]本发明所提到的方向用语，例如“前”、“后”等，仅用于相对参照各器件之间的相对位置关系，不用于表示实际中的前后和左右关系，实际器件系统可以根据具体测试系统的需要正序安装或倒序安装。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。
[0037]本发明提供一种铁磁半导体平面内磁各向异性的光电流测试系统，该测试系统包括:
[0038]—激光光源，为样品提供测试光源；
[0039]—光学斩波器，位于所述激光光源之后，对所述激光光源进行斩波调制；
[0040]—光学起偏器，位于所述光学斩波器之后，用于将激光光源设定成特定方向的线偏振光；
[0041]一光弹性调制器，位于所述光学起偏器之后，用于将所述光学起偏器出射的线偏振光调制成周期性偏振的圆偏振光；
[0042]—光阑，位于所述光弹性调制器之后，用于调整所述圆偏振光的光斑大小；
[0043]—光学反射镜，位于所述光阑之后，用于调整入射光的入射角度；
[0044]—变温冷热台装置，用于放置样品，经所述光学反射镜反射的入射光照射于所述样品上；
[0045]—直流电压源，用于给待测样品施加外电压；以及
[0046]由两台锁相放大器、计算机组成的数据采集和存储系统，包括:
[0047]第一锁相放大器，其输入端与所述样品输出的光电流信号相连，由所述光学斩波器为第一锁相放大器提供参考频率，所述第一锁相放大器用于测量普通光电流强度；
[0048]第二锁相放大器，其输入端与所述样品输出的光电流信号相连，由所述光弹性调制器为第二锁相放大器提供参考频率，所述第一锁相放大器用于测量与圆偏振光相关的光电流信号；
[0049]—数据采集卡，所述数据采集卡连接第一、第二锁相放大器的输出端，接收来自第一、第二锁相放大器输出端的数据，所述计算机控制数据采集卡对这些电学信号进行运算处理，然后存盘。
[0050]对于激光光源的选择，优选的，所述激光光源为固体或气态激光器，进一步优选的，激光光源为一频率为80MHz脉宽为140fs的锁模台蓝宝石激光器，波长范围覆盖680nm到1080nm。
[0051 ]对于光弹性调制器的选择，目的是通过光弹性调制器将入射的线偏振光变成周期性偏振的圆偏振光，通过锁相可以提取左旋和右旋光产生光电流的差值，这个差值随入射光的方位角和入射角呈现规律性变化:当入射面平行于磁矩方向时，圆偏光相关的光电流信号绝对值最大，当入射面垂直于磁矩方向时，圆偏光相关的光电流信号最小；固定入射面平行于磁矩方向时，入射角越大，圆偏光相关的光电流信号绝对值最大。优选的，光弹性调制器工作在0.25λ模式，工作频率50kHz，其主轴与起偏器成45°角，以用于将光学起偏器出射的线偏振光调制成周期性偏振的圆偏振光，一倍频参考信号(50KHz)作为第二台锁相的参考信号。
[0052]对于数据采集和存储系统，优选的，所述数据采集和存储系统还包括计算机控制装置，所述计算机控制装置控制数据采集卡对这些电学信号进行运算处理，然后存盘。
[0053]优选的，该系统利用直流电压源为样品提供稳定外电压，便于定向驱动收集光电流，将样品产生的光电流信号输入两台锁相组成的信号探测和收集系统。
[0054]优选的，第一锁相放大器的参考频率为斩波频率，测量普通光电流，第二锁相放大器的参考频率为光弹性调制器频率(50KHz)，测量圆偏振相关的光电流