专利名称：极化电子发射源及自旋极化扫描隧道显微镜的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种极化电子发射源以及采用该种极化电子发射源的自旋电子器件。
背景技术：
自旋电子器件是一种利用电子电荷和电子自旋共同作为信息载体的新型器件；其中，自旋极化扫描隧道显微镜是一种可用于测量表面磁结构，空间分辨率可达原子尺寸的自旋电子器件。自旋极化扫描隧道显微镜的基本原理是利用量子隧道效应，当在其探针与待测样品之间(探针与待测样品的距离通常为0.1～10纳米)施加电压时，通过探针扫描待测样品表面可在探针与待测样品表面之间形成表征待测样品表面磁结构的隧道电流。其中，探针作为自旋扫描隧道显微镜的极化电子发射端或感测端。
对于实际应用中的自旋电子器件，其关键在于获取能在室温条件下实现连续及高效率自旋极化电子束发射的极化电子发射源。
现有技术中揭露一种极化电子发射源，其包括微型钨针尖(直径约为1微米)以及形成在钨针尖表面的铁磁性薄膜如，铁、镍或其合金膜。其中，该铁磁性薄膜具有纳米级厚度(小于100纳米)。当将该钨针尖置于磁场中并在其上施加负偏压时，该极化电子发射源因磁场诱导及电场激发可产生极化电子束，该极化电子束中的电子自旋方向与所施加磁场方向平行。然而，该种极化电子发射源的操作温度过低，通常工作在钨针尖表面铁磁性薄膜材料的居里温度以下才可产生极化电子束。
现有技术中揭露另一种极化电子发射源，其包括由砷化镓(GaAs)层以及交替形成在砷化镓层表面的铯(Cs)层及氧(O)层构成的多层结构。该铯层及氧层的采用主要用于产生负电子亲和势。当利用光子能量等于砷化镓禁带宽度的圆偏振光照射上述多层结构并在其上施加负偏压时，该极化电子发射源因光激发可产生极化电子束。然而，由于该种极化电子发射源中铯层及氧层的形成需要在超高真空(至少为10-8帕斯卡)条件下执行，其导致该种极化电子发射源制作难度较高。
有鉴于此，有必要提供一种极化电子发射源以及采用该种极化电子发射源的自旋极化扫描隧道显微镜，其可工作在室温条件下且可具有制作简单之特点。
发明内容
下面将以若干实施例说明一种极化电子发射源及一种自旋极化扫描隧道显微镜。
一种极化电子发射源，其包括电极以及位于该电极上的III-V族化合物半导体一维纳米结构；该III-V族化合物半导体一维纳米结构包括与电极形成电连接的第一端以及远离该电极的第二端，该第二端作为极化电子发射端；当向该电极施加负偏压，经由磁场诱导或/和圆偏振光激发可使该一维纳米结构的第二端发射出极化电子束。
优选的，该III-V族化合物半导体一维纳米结构选自开口纳米管、纳米线及其混合。
以及，一种自旋极化扫描隧道显微镜，可用于测量样品的表面磁结构，该自旋极化扫描隧道显微镜包括导电体以及位于该导电体上的探针；该探针包括III-V族化合物半导体一维纳米结构；该III-V族化合物半导体一维纳米结构包括与导电体形成电连接的第一端以及远离该导电体的第二端，该第二端作为探针尖端；当在该导电体与样品之间施加电压，经由磁场诱导或/和圆偏振光激发可使该探针尖端发射或感测极化电子束。
优选的，该III-V族化合物半导体一维纳米结构选自开口纳米管、纳米线及其混合。
相对于现有技术，所述极化电子发射源及自旋极化扫描隧道显微镜，通过设置III-V族化合物半导体一维纳米结构(优选的，其选自开口纳米管、纳米线及其混合)来实现极化电子束的发射或感测。由于该种III-V族化合物半导体一维纳米结构通常具有较大的自旋劈裂效应(Spin-Splitting Effect)和室温条件下稳定的局域磁矩，且其制备工艺较成熟。因此，本技术方案中的极化电子发射源及自旋极化扫描隧道显微镜可工作在室温条件下且可具有制作简单之特点。
图1是本发明第一实施例利用磁场诱导产生极化电子束的极化电子发射源剖面示意图。
图2是本发明第二实施例利用圆偏振光激发产生极化电子束的极化电子发射源剖面示意图。
图3是本发明第三实施例自旋极化扫描隧道显微镜的局部剖面示意图。
具体实施例方式
下面将结合附图对本发明实施例作进一步的详细说明。
第一实施例参见图1，本发明第一实施例提供的极化电子发射源10，其利用磁场诱导产生极化电子束。该极化电子发射源10包括相对设置的电极12及13，III-V族化合物半导体一维纳米结构14，及磁场产生装置16。
电极12通常设置在基底11上，其材质可选用锡铟氧化物、N型掺杂或P型掺杂硅等电可导材料。该基底11的材质可选用玻璃。
电极13与电极12之间形成有一间距。该电极13具有开口132，III-V族化合物半导体一维纳米结构14发射出的极化电子可穿过该开口132进入真空环境。该电极13的材质可选用钼、铌等电可导金属材料。
III-V族化合物半导体一维纳米结构14位于电极12与电极13之间。通常，III-V族化合物半导体一维纳米结构14包含有两个端部，其中一个端部与电极12形成电连接，另一个端部则远离电极12作为极化电子发射端。该III-V族化合物半导体一维纳米结构14通常选用能隙中存在极化的电子占据能级的开口纳米管、纳米线，或其混合，其可经由磁场诱导产生极化电子束。所述开口纳米管为一种管状的一维纳米结构，其具有至少一开口端。所述纳米线通常为一种长径比不小于100的一维纳米结构。
本实施例中，III-V族化合物半导体一维纳米结构14为富硼开口氮化硼纳米管，其能隙中存在极化的电子占据能级。该富硼开口氮化硼纳米管的一开口端作为极化电子发射端。当考虑到富硼开口氮化硼纳米管的手性(Chirality)时，其通常可表示为富硼开口(n，m)氮化硼纳米管(n＞|m|≥0，n，m为整数)；其中，(n，m)为其螺旋向量的简写符号。该种富硼开口(n，m)氮化硼纳米管在室温条件下具有稳定的局域磁矩及大于1电子伏(eV)的自旋劈裂效应，其能隙中的自旋极化深缺陷态表现出共轭特性。通常，当该种富硼开口(n，m)氮化硼纳米管的开口的截面与其管轴基本垂直时，其局域磁矩M(为整数，单位为波尔磁子μB)满足如下关系式(1)，(2)及(3)(1)M＝QUOTIENT(n-m，m)，当m≠0且MOD(n-m，m)为偶数；(2)M＝m-QUOTIENT(n-m，m)，当m≠0且MOD(n-m，m)为奇数；(3)M＝MOD(n，2)，当m＝0。其中，QUOTIENT(n-m，m)为(n-m)对m求整数商运算；MOD(n-m，m)为(n-m)对m求余运算；MOD(n，2)为n对2求佘运算。该种富硼开口(n，m)氮化硼纳米管的开口端自旋极化率通常在86％以上，其开口端轴向方向的最外层原子为硼原子。该种富硼开口(n，m)氮化硼纳米管的局域磁矩越大，则该自旋极化率越大。
磁场产生装置16用于提供一磁场以使极化电子的自旋方向基本取向一致。图1中箭头所示方向为磁场方向，该磁场方向基本与III-V族化合物半导体一维纳米结构14的轴向方向平行。该磁场产生装置16可选用线圈，其环绕于该III-V族化合物半导体一维纳米结构14。
下面将具体描述极化电子发射源10的基本工作过程在极化电子发射源10的工作过程中，将电极12及13，位于电极12与13之间的富硼开口(n，m)氮化硼纳米管以及磁场产生装置16置于真空环境中。电极12及13电连接至电压源15以向电极12提供一预定大小的负偏压(例如，当富硼开口(n，m)氮化硼纳米管的极化电子发射端与电极13的间距约为6微米时，可向电极12与13之间施加150伏特(V)电压)用以产生电场。在磁场产生装置16产生的磁场的诱导作用下，富硼开口(n，m)氮化硼纳米管极化电子发射端位于极化的电子占据能级中的电子的自旋方向将取向于该磁场方向，也即平行于该磁场方向。该自旋方向取向于该磁场方向的电子再经由电场激发而发射出来以形成极化电子束。该极化电子束将穿过电极13的开口132进入真空环境中。可以理解的是，通过改变磁场方向，可变换极化电子的自旋方向(如，自旋向上或自旋向下)。
第二实施例参见图2，本发明第二实施例提供的极化电子发射源20，其利用偏振光激发产生极化电子束。该极化电子发射源20包括相对设置的电极12及13，III-V族化合物半导体一维纳米结构24，及偏振光产生装置26。
III-V族化合物半导体一维纳米结构24位于电极12与电极13之间。通常的，该III-V族化合物半导体一维纳米结构24包含有两个端部，其中一个端部与电极12形成电连接，另一个端部则远离电极12作为极化电子发射端。该III-V族化合物半导体一维纳米结构24通常选用能隙中存在极化的电子非占据能级的开口纳米管、纳米线，或其混合，其可经由圆偏振光激发产生极化电子束。
本实施例中，III-V族化合物半导体一维纳米结构24为富氮开口氮化硼纳米管，其能隙中存在极化的电子非占据能级。该富氮开口氮化硼纳米管的一开口端作为极化电子发射端。当考虑到富氮开口氮化硼纳米管的手性时，其通常可表示为富氮开口(n，m)氮化硼纳米管(n＞|m|≥0，n，m为整数)。该种富氮开口(n，m)氮化硼纳米管在室温条件下具有稳定的局域磁矩及大于1电子伏(eV)的自旋劈裂效应，其能隙中的自旋极化缺陷态表现出共轭特性。通常，当该种富氮开口(n，m)氮化硼纳米管的开口的截面与其管轴基本垂直时，其局域磁矩M(为整数，单位为波尔磁子μB)满足如下关系式(4)(4)M＝n-m。该种富氮开口(n，m)氮化硼纳米管的开口端轴向方向的最外层原子为氮原子，在预定光子能量的圆偏振光激励下，其开口端具有相当高的自旋极化率。
偏振光产生装置26可用于提供具有预定光子能量的圆偏振光262(如，左旋圆偏振光及右旋圆偏振光)照射III-V族化合物半导体一维纳米结构24的极化电子发射端以使其受激而产生极化电子，该极化电子在外加负偏压下可以发射出去，其自旋方向与该圆偏振光262的旋度(Helicity)相对应；也即，偏振光激发产生极化电子束。可以理解的是，通过切换左旋圆偏振光与右旋圆偏振光，可变换该极化电子的自旋方向。
下面将具体描述极化电子发射源20的基本工作过程在极化电子发射源20的工作过程中，将电极12及13，位于电极12与13之间的富氮开口(n，m)氮化硼纳米管以及偏振光产生装置26置于真空环境中。电极12及13电连接至电压源15以向电极12提供一预定大小的负偏压(例如，当富氮开口(n，m)氮化硼纳米管的极化电子发射端与电极13的间距约为6微米时，可向电极12与13之间施加150伏特电压)用以产生电场。偏振光产生装置26产生具有预定光子能量的圆偏振光262以基本垂直于富氮开口(n，m)氮化硼纳米管轴向的方向入射至富氮开口(n，m)氮化硼纳米管的极化电子发射端。该圆偏振光通常为红外圆偏振光，其光子能量可将富氮开口(n，m)氮化硼纳米管中电子激发至其极化的电子非占据能级上，进而成为与该入射的圆偏振光的旋度相对应的极化电子。该位于电子非占据能级上的极化电子再经由电场激发而发射出来以形成极化电子束。该极化电子束将穿过电极13的开口132进入真空环境中。
本发明第一及第二实施例中的开口(n，m)氮化硼纳米管形成在电极12的方法可为将开口(n，m)氮化硼纳米管与导电浆料(如，银浆料)混合以制得一混合浆料；通过印刷法将该混合浆料形成在电极12上；在惰性气体保护下或真空环境中烧结使混合浆料固化在电极12上，该烧结温度为350～600℃，并维持20～60分钟；摩擦该烧结固化的混合浆料的表面以产生静电，经由静电吸引使混合浆料中的开口(n，m)氮化硼纳米管的端部暴露出来。
可以理解的是，当本发明第一及第二实施例中的III-V族化合物半导体一维纳米结构14或24为富硼开口(n，m)氮化硼纳米管与富氮开口(n，m)氮化硼纳米管的混合物时，可以采用磁场诱导及偏振光激发共同作用该种III-V族化合物半导体一维纳米结构，使其在外加负偏压的激励下产生极化电子束。
第三实施例参见图3，本发明第三实施例提供的自旋极化扫描隧道显微镜30，可用于探测磁性样品43的表面磁结构。该自旋极化扫描隧道显微镜30包括导电体32，及III-V族化合物半导体一维纳米结构34。
该导电体32可用于向III-V族化合物半导体一维纳米结构34提供电连接，其材质可为固化的导电浆料(如银浆料)等电可导材料。
该III-V族化合物半导体一维纳米结构34作为自旋极化扫描隧道显微镜30的探针。该III-V族化合物半导体一维纳米结构34通常包含有两个端部，其中一个端部与导电体32形成电连接；另一个端部则远离导电体32作为极化电子发射端或感测端，也即，探针尖端。该III-V族化合物半导体一维纳米结构34能隙中存在极化的电子占据能级或极化的电子非占据能级，其通常选用开口纳米管、纳米线，或其混合。
本实施例中，导电体32的材质选用固化的银浆料。III-V族化合物半导体一维纳米结构34选用开口(n，m)氮化硼纳米管，如富硼开口(n，m)氮化硼纳米管或富氮开口(n，m)氮化硼纳米管。开口(n，m)氮化硼纳米管的一开口端作为极化电子发射端或感测端，以下称为开口氮化硼纳米管探针尖端。对于能隙中存在极化的电子占据能级的富硼开口(n，m)氮化硼纳米管，可以采用磁场诱导产生极化电子束；对于能隙中存在极化的电子非占据能级的富氮开口(n，m)氮化硼纳米管，则可以采用偏振光激发产生极化电子束；对于富硼开口(n，m)氮化硼纳米管与富氮开口(n，m)氮化硼纳米管混合物，可以采用磁场诱导和偏振光激发共同作用来产生极化电子束。
该导电体32与开口(n，m)氮化硼纳米管形成电连接的方法可为将开口(n，m)氮化硼纳米管与导电浆料(如，银浆料)混合以制得一混合浆料；通过印刷法将该混合浆料形成在一基底(例如悬臂的自由端)上；在惰性气体保护下或真空环境中烧结使混合浆料固化在该基底上，该烧结温度为350～600℃，并维持20～60分钟；摩擦该烧结固化的混合浆料的表面以产生静电，经由静电吸引使混合浆料中开口(n，m)氮化硼纳米管的端部暴露出来；该固化的导电浆料则可充当本实施例中的导电体32。可以理解的是，利用化学气相沉积法以氧化钼(MoO3)为催化剂直接在一基底(如悬臂的自由端)上生长(n，m)氮化硼纳米管；然后将制取的(n，m)氮化硼纳米管在空气中加热到800℃并维持20分钟左右也可获得位于该氧化钼催化剂上并与其形成电连接的开口(n，m)氮化硼纳米管；在此种情形下，该催化剂可充当导电体32。
在本实施例自旋极化扫描隧道显微镜30探测磁性样品43表面磁结构的过程中，将III-V族化合物半导体一维纳米结构34与样品43置于真空环境中；开口氮化硼纳米管探针尖端与样品43之间的距离通常设置为0.1～10纳米。当将导电体32与样品43电连接至一电压源35以在开口氮化硼纳米管探针尖端与样品43之间施加一工作电压时，在磁场诱导或圆偏振光激发作用下，电子就可以因量子隧道效应由开口氮化硼纳米管探针尖端转移到样品43，从而在开口氮化硼纳米管探针尖端与样品43之间形成隧道电流。由于开口氮化硼纳米管探针尖端是自旋极化的，因此该隧道电流是一种自旋依赖(Spin Dependent)隧道电流。经由位置控制器38控制开口氮化硼纳米管探针尖端扫描样品43可产生对应于样品43表面各个位置磁结构的自旋依赖隧道电流。该自旋依赖隧道电流可经由电流输出装置36实时输出至控制器37。该控制器37将获取的自旋依赖隧道电流输出至外围设备如，计算机以获取样品43的表面磁性成像。同时，该控制器37可根据获取的自旋依赖隧道电流产生一反馈信号并输出给位置控制器38，以使开口氮化硼纳米管探针尖端与样品43之间的距离在整个探测过程中保持不变。本实施例中，由于开口氮化硼纳米管探针尖端具有稳定的局域磁矩，其自旋结构在与磁性样品43的交互作用过程中可保持不变；该种特性使得自旋极化扫描隧道显微镜30具有较高的探测精度。
本发明第一、第二及第三实施例中的开口(n，m)氮化硼纳米管如，富硼开口(n，m)氮化硼纳米管或富氮开口(n，m)氮化硼纳米管可通过如下制备方法获取首先通过化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)法、电弧放电(Arc Discharge)法、激光消融(Laser Ablation)法或其它方法来获取氮化硼纳米管。由于(n，m)氮化硼纳米管中硼-氮(B-N)键是极性的，上述形成的(n，m)氮化硼纳米管基本上满足条件n＞|m|≥0，n，m为整数。然后，将上述制取的(n，m)氮化硼纳米管在空气中加热到800℃并维持20分钟左右即可获得开口(n，m)氮化硼纳米管。另外，为提高开口(n，m)氮化硼纳米管的电输运特性，可对其管体(也即，其两端部之间的位置)进行碳原子掺杂处理，其步骤可为将质量比为1∶5的开口(n，m)氮化硼纳米管与C60置于真空度约为10-6托(Torr)的石英容器中，加热至550～630℃并维持24～48小时即可获得管体碳掺杂开口(n，m)氮化硼纳米管。
另外，本发明第一、第二及第三实施例中III-V族化合物半导体一维纳米结构还可选用其它III-V族化合物半导体一维纳米结构，如开口氮化镓纳米管或氮化镓纳米线；并可根据开口氮化镓纳米管及氮化镓纳米线的能隙结构(存在极化的电子占据能级或极化的电子非占据能级)选择适当的方法(如磁场诱导或偏振光激发法)产生极化电子束。
另外，本领域技术人员还可于本发明精神内做其它变化，如选用具有与III-V族化合物半导体一维纳米结构相似的其它一维纳米结构，如潜在的II-VI族化合物半导体一维纳米结构；或变换开口氮化硼纳米管的制备方法以用于本发明等设计，只要其不偏离本发明的技术效果均可。这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。
权利要求
1.一种极化电子发射源，其包括一个电极；其特征在于，还包括位于该电极上的III-V族化合物半导体一维纳米结构；该III-V族化合物半导体一维纳米结构包括与电极形成电连接的第一端以及远离该电极的第二端，该第二端作为极化电子发射端；当向该电极施加负偏压，经由磁场诱导或/和圆偏振光激发可使该一维纳米结构的第二端发射极化电子束。
2.如权利要求1所述的极化电子发射源，其特征在于，所述III-V族化合物半导体一维纳米结构选自开口纳米管、纳米线及其混合。
3.如权利要求2所述的极化电子发射源，其特征在于，所述III-V族化合物半导体一维纳米结构的能隙中具有极化的电子占据能级，经由磁场诱导可使其第二端发射极化电子束。
4.如权利要求3所述的极化电子发射源，其特征在于，所述III-V族化合物半导体一维纳米结构选自富硼开口氮化硼纳米管、开口氮化镓纳米管及氮化镓纳米线。
5.如权利要求4所述的极化电子发射源，其特征在于，所述富硼开口氮化硼纳米管的磁矩M与该富硼开口氮化硼纳米管的螺旋向量(n，m)满足以下关系式(1)、(2)及(3)(1)M＝QUOTIENT(n-m，m)，当m≠0且MOD(n-m，m)为偶数；(2)M＝m-QUOTIENT(n-m，m)，当m≠0且MOD(n-m，m)为奇数；(3)M＝MOD(n，2)，当m＝0；式中，M为整数，单位为波尔磁子μB；QUOTIENT为求整数商运算符；MOD为求余运算符；n＞|m|≥0且n，m为整数。
6.如权利要求3所述的极化电子发射源，其特征在于，还包括磁场产生装置，该磁场产生装置环绕该III-V族化合物半导体一维纳米结构用以产生磁场，经由磁场诱导使该III-V族化合物半导体一维纳米结构能隙中极化的电子占据能级上的极化电子的自旋方向取向于该磁场。
7.如权利要求2所述的极化电子发射源，其特征在于，所述III-V族化合物半导体一维纳米结构的能隙中具有极化的电子非占据能级，经由圆偏振光激发可使其第二端发射极化电子束。
8.如权利要求7所述的极化电子发射源，其特征在于，所述III-V族化合物半导体一维纳米结构选自富氮开口氮化硼纳米管、开口氮化镓纳米管及氮化镓纳米线。
9.如权利要求8所述的极化电子发射源，其特征在于，所述富氮开口氮化硼纳米管的磁矩M与该富氮开口氮化硼纳米管的螺旋向量(n，m)满足以下关系式(4)(4)M＝n-m；式中，M为整数，单位为波尔磁子μB；n＞|m|≥0且n，m为整数。
10.如权利要求7所述的极化电子发射源，其特征在于，还包括偏振光产生装置，该偏振光产生装置用于产生圆偏振光照射该III-V族化合物半导体一维纳米结构的极化电子发射端，经由圆偏振光激发使该III-V族化合物半导体一维纳米结构中的电子占据其能隙中极化的电子非占据能级以形成极化电子，该极化电子的自旋方向与该圆偏振光的旋度一致。
11.一种自旋极化扫描隧道显微镜，其可用于测量磁性样品的表面磁结构；该自旋极化扫描隧道显微镜包括导电体以及位于该导电体上的探针；其特征在于，该探针包括III-V族化合物半导体一维纳米结构；该III-V族化合物半导体一维纳米结构包括与导电体形成电连接的第一端以及远离该导电体的第二端，该第二端作为探针尖端；当在该导电体与样品之间施加电压，经由磁场诱导或/和圆偏振光激发可使该探针尖端发射或感测极化电子束。
12.如权利要求11所述的自旋极化扫描隧道显微镜，其特征在于，所述III-V族化合物半导体一维纳米结构选自开口纳米管、纳米线及其混合。
13.如权利要求12所述的自旋极化扫描隧道显微镜，其特征在于，所述III-V族化合物半导体一维纳米结构的能隙中具有极化的电子占据能级或极化的电子非占据能级。
14.如权利要求13所述的自旋极化扫描隧道显微镜，其特征在于，所述III-V族化合物半导体一维纳米结构选自开口氮化硼纳米管，开口氮化镓纳米管及氮化镓纳米线。
15.如权利要求14所述的自旋极化扫描隧道显微镜，其特征在于，所述开口氮化硼纳米管选自富硼开口氮化硼纳米管及富氮开口氮化硼纳米管。
16.如权利要求14所述的自旋极化扫描隧道显微镜，其特征在于，所述开口氮化硼纳米管为管体碳掺杂开口氮化硼纳米管。
全文摘要
本发明涉及一种极化电子发射源。该种极化电子发射源通常包括电极以及位于该电极上的III－V族化合物半导体一维纳米结构；该III－V族化合物半导体一维纳米结构包括与电极形成电连接的第一端以及远离该电极的第二端，该第二端作为极化电子发射端；当向该电极施加负偏压，经由磁场诱导或/和圆偏振光激发可使该一维纳米结构的第二端发射极化电子束。本发明还提供一种采用III－V族化合物半导体一维纳米结构作为探针的自旋极化电子扫描隧道显微镜。
文档编号G02B21/00GK101075015SQ20061006073
公开日2007年11月21日 申请日期2006年5月19日 优先权日2006年5月19日
发明者段文晖, 郝少刚, 周刚, 吴健, 顾秉林 申请人:清华大学, 鸿富锦精密工业(深圳)有限公司