本发明涉及旋光器件领域，特别是一种极化率可控的可变波长二维旋光器件及其制备方法。
背景技术
信息时代对电子元器件的集成度、存储密度、运行速度及功耗提出更高要求，只利用电荷自由度承载信息的电子器件始终无法逾越其尺寸的物理极限。于是，电子的另一内禀属性—自旋，引起了人们重视，并拓展了自旋电子学这一新兴领域。电子自旋自由度调控与现代半导体微电子学、光电子学中的能带剪裁工程结合起来将会拓展半导体器件的功能和特性，有望为未来信息技术带来革命性变化。近年来，半导体自旋电子学器件的研制在国际著名科研机构和大公司研发部门都受到高度重视。在自旋电子学器件中，旋光器件在光通讯、光传感、光调制、光存储、生物细胞荧光测量、图像识别、生物芯片探测等领域具有越来越广泛的应用前景。目前用以产生旋光的方法主要通过旋光物质，比如糖溶液、松节油等液体、石英、朱砂等固体、以及利用液晶的各向异性等，与当今半导体器件之间存在明显的兼容性问题；另有利用材料的磁致旋光效应，但此方法受制于现有磁光材料本身应用性能的不理想，如温度稳定性、磁滞效应、成本较高等问题，同时也不利于与半导体器件的集成，因此制约了其进一步广泛应用。因此，具有优异自旋性质的半导体结构材料体系，一直都是实现旋光器件等自旋电子学应用的迫切需求。
多年来，人们积极探索了各种半导体材料，其中砷化镓(gaas)是研究最为广泛的材料之一。然而，由于轻重空穴带的简并和亚皮秒级的空穴自旋弛豫时间，其体材料中光泵浦电子自旋极化率仅达到1/2，而最高圆偏极化率也仅为1/4。相比之下iii-vi族硫属化物二维材料(如硒化镓，gase)，由于晶体场各向异性和自旋-轨道耦合作用使轨道电子态的简并消退，强烈抑制了自旋弛豫，极大减小了自旋散射，从而具有较高电子自旋极化率和较长自旋弛豫时间，对于自旋极化载流子的激发、旋光极化率的调控而言至关重要。
为了进一步满足器件的设计需要，实现对其极化率的有效调控是旋光器件等自旋电子学应用和发展的关键。常见的调控方式有外加应力、空位缺陷、原子掺杂、组分调节以及表面修饰等。其中外加应力和空位缺陷往往对材料的晶格结构造成不同程度的破坏，而原子掺杂和组分调节也会由于杂质散射引起载流子迁移率降低，从而降低器件的光学、电学及自旋电子学性能。相形之下，表面修改的调控方式对材料结构及器件性能的影响最小且制备简便。传统的铁磁材料，如fe、ni和co，具有高电子自旋极化率、高居里温度等优点，成为调控材料的最佳选择；其形貌及尺度，都对旋光效应等自旋电子学性质的调控作用产生重要的影响。
技术实现要素：
本发明鉴于旋光器件的设计需求及自旋性质的调控问题，提出通过制备基于iii-vi族硫属化物二维材料与铁磁金属团簇异质结构的二维旋光器件，借由异质界面相互作用，调控iii-vi族硫属化物二维材料的自旋极化率，并通过外加垂直电场调节iii-vi族硫属化物二维材料的带隙宽度，使器件在入射光激发下产生具有可控自旋极化率，且波长从紫外到红外的宽波段范围内连续可调的旋光效应。
一种极化率可控的可变波长二维旋光器件，其结构由下到上依次包括基底、增强光吸收层、第一透明电极、iii-vi族硫属化物二维材料、铁磁金属层、bn二维材料保护层及第二透明电极；所述铁磁金属层为由铁磁金属材料构成的颗粒状非周期性团簇结构或周期性团簇阵列结构中的一种，通过控制铁磁金属团簇的形貌及尺度使iii-vi族硫属化物二维材料中的电子在激光激发下产生可控的自旋极化。
优选的，所述基底采用表面光滑或表面具有纳米周期性图形的si片、sio2/si片、玻璃片、云母片、蓝宝石、石英、pet塑料片、聚酰亚胺薄膜中的一种。
优选的，所述增强光吸收层为由表面等离子激元金属材料构成的颗粒状非周期性纳米结构或周期性纳米阵列结构中的一种；所述表面等离子激元金属材料构成的颗粒状非周期性纳米结构的颗粒个体大小、表面等离子激元金属材料构成的颗粒状非周期性纳米结构的颗粒间距、表面等离子激元金属材料构成的周期性纳米阵列结构的周期单元结构、表面等离子激元金属材料构成的周期性纳米阵列结构的周期的尺度均在30～600nm范围内。
优选的，所述iii-vi族硫属化物二维材料为厚度从单分子层到小于200nm的二维薄层材料。
优选的，所述铁磁金属层的颗粒状非周期性团簇结构或周期性团簇阵列结构的团簇的侧向尺度为1～4μm，纵向高度为1～50nm，且团簇形貌较为一致。
优选的，所述铁磁金属层的铁磁金属材料为铁、钴、镍金属中的一种或几种，或其合金。
优选的，所述bn二维材料保护层为厚度从单分子层到小于50nm的二维薄层材料。
优选的，所述旋光的产生温度t范围为0k≤t≤300k，所述旋光的产生环境为空气环境或真空环境。
上述二维旋光器件的波长调控方法为：将激光垂直入射所述二维旋光器件激发产生旋光信号，通过所述第一透明电极和第二透明电极向所述二维旋光器件施加垂直电场，调节所述垂直电场的强度使旋光波长从紫外到红外的宽波段范围内连续可调。
优选的，所述激光波长为200nm～380nm，所述激光功率为10μw～30mw。
优选的，所述波长调控范围为380nm～2.5μm。
本发明提供了上述技术方案所述极化率可控的可变波长二维旋光器件的制备方法，包括以下步骤：
1)制备增强光吸收层和第一透明电极：将基底放置于真空腔体中，将腔内气压抽真空，采用热蒸发方法向基底表面沉积表面等离子激元金属，形成颗粒状非周期性纳米结构或周期性纳米阵列结构，通过控制沉积条件，优化颗粒个体大小、颗粒间距、或纳米阵列的周期单元、周期尺度；然后在增强光吸收层上制备第一透明电极并打上引线；
2)制备iii-vi族硫属化物二维材料：采用机械剥离方法将iii-vi族硫属化物体材料剥离并反复减薄为适当厚度的iii-vi族硫属化物二维材料，将iii-vi族硫属化物二维材料转移至pdms柔性薄膜表面，再将粘有iii-vi族硫属化物二维材料的pdms柔性薄膜覆盖于第一透明电极表面上，将pdms揭除使iii-vi族硫属化物二维材料转移至第一透明电极表面，随后放置于退火炉中，将退火炉内气压抽真空，通入惰性保护气体后进行热退火处理去除表面吸附的气体分子及有机杂质；
3)制备铁磁金属层：将热退火处理后的基片放置于真空腔体中，将腔内气压抽真空，采用热蒸发或磁控溅射方法向iii-vi族硫属化物二维材料表面沉积铁磁金属原子形成铁磁金属团簇，通过控制沉积条件，制备不同覆盖度的铁磁金属团簇，制备完成后，将基片放置于退火炉中，将退火炉内气压抽真空，通入惰性保护气体后进行热退火处理，通过调节退火温度和时间，调整铁磁金属团簇的形貌及尺度，退火后取出基片；
4)制备bn二维材料保护层和第二透明电极：采用机械剥离方法将bn体材料剥离并反复减薄为适当厚度的bn二维材料，在显微镜观测下将bn二维材料转移至铁磁金属团簇表面，保护表面以防止氧化及杂质吸附，然后在bn二维材料保护层上制备第二透明电极并打上引线；
5)旋光效应的产生：将一束激光垂直入射器件，激发产生旋光信号，分别探测发光信号中的左旋圆偏振和右旋圆偏振部分进行比较，得到样品的自旋极化率。
在步骤1)中，所述制备增强光吸收层可采用热蒸发方法制备增强光吸层，具体步骤为：将基底放置于制备腔的磁力杆上，温度为室温，腔内放置一个直流加热灯丝，灯丝上挂载等离子激元金属源，用机械泵和分子泵将腔内气压抽至低于10-8torr后，将等离子激元金属源加热至熔点附近温度并稳定，利用磁力杆将基底推至等离子激元金属源正下方10cm～15cm处，沉积20s～60s。
在步骤2)中，所述制备iii-vi族硫属化物二维材料采用机械剥离方法制备iii-vi族硫属化物二维材料，具体步骤为：将iii-vi族硫属化物体材料粘贴在粘性适当的胶带上，使用另一片胶带与其对粘撕开，上述过程反复进行几次之后，胶带上的样品厚度减薄至小于200nm，再将粘有iii-vi族硫属化物二维材料的胶带贴至pdms柔性薄膜上并揭开，iii-vi族硫属化物二维材料由此转移至pdms柔性薄膜表面，进而将pdms覆盖至第一透明电极表面上并轻轻压紧，随后将pdms揭除，从而将iii-vi族硫属化物二维材料转移至第一透明电极表面，再将基片并放置于退火炉中，将退火炉内气压抽真空，通入惰性保护气体后进行热退火处理；所述退火炉内气压抽真空可采用机械泵将退火炉内气压抽至10-3torr以下；所述惰性气体可采用氮气或氩气，流量可为20～100sccm；所述热退火温度可为150～250℃，热退火时间可为30～60min。
在步骤3)中，所述制备铁磁金属团簇可采用热蒸发方法制备铁磁金属团簇，具体步骤为：将基片放置于制备腔的磁力杆上，温度为室温，腔内放置一个直流加热灯丝，灯丝上挂载铁磁金属源，用机械泵和分子泵将腔内气压抽至低于10-8torr后，将铁磁金属加热至熔点附近温度并稳定，利用磁力杆将基片推至铁磁金属源正下方5cm～10cm处，沉积10s～90s，可通过具体调节沉积时间及灯丝与基片的间距来控制沉积金属的覆盖度；所述制备铁磁金属团簇可采用磁控溅射方法制备铁磁金属团簇，具体步骤为：将基片放置于磁控溅射系统的真空腔中，温度为室温，用机械泵和分子泵将腔内气压抽至10-6torr以下，在适当的射频信号和功率条件下向iii-vi族硫属化物二维材料表面溅射铁磁金属原子，溅射时间为3s～30s，具体可通过控制溅射时间在分别获得不同覆盖度的铁磁金属团簇。所述将退火炉内气压抽真空可采用机械泵和分子泵将退火炉内气压抽至10-6torr以下，所述惰性保护气体可采用氮气或氩气，流量可为20～100sccm，所述热退火温度可为150～250℃，退火时间可为5～10min；可测得制备的铁磁金属团簇的侧向尺度约为1～4μm，纵向高度约为1～50nm。
在步骤4)中，所述制备bn二维材料保护层采用步骤2)中所述机械剥离方法制备bn二维材料，进而在显微镜观测下将bn二维材料保护层转移至铁磁金属团簇结构表面。
在步骤5)中，所述旋光的产生温度t范围为0k≤t≤300k；所述旋光的产生环境为空气环境或真空环境；所述入射激光波长为200nm～380nm；所述入射激光功率为10μw～30mw。
本发明的有益效果为：
1)基于iii-vi族硫属化物二维材料与铁磁金属团簇的异质结构，通过控制铁磁金属层中铁磁金属团簇的形貌及尺度，调节铁磁金属团簇内部磁矩方向以及与iii-vi族硫属化物二维材料的磁耦合效应，使iii-vi族硫属化物二维材料中的电子产生可控的自旋极化，满足器件设计的需求。
2)通过外加垂直电场调节iii-vi族硫属化物二维材料的带隙宽度，使器件在入射光激发下具有波长从紫外到红外的宽波段范围内连续可调的旋光效应，满足器件设计需求。
3)可通过制备方法的工艺参数进行自旋极化率的精确控制，实用性强，效果好。
附图说明
图1为极化率可控的可变波长二维旋光器件结构示意图。
图2为机械剥离制备的gase二维材料的金相显微图像。
图3为fe热蒸发沉积时间为10秒(a)和40秒(b)的gase二维材料表面fe金属团簇的afm图像。
图4为fe热蒸发沉积时间为10秒时器件的圆偏振极化光致发光谱。
图5为fe热蒸发沉积时间为40秒时器件的圆偏振极化光致发光谱。
图6为不同外加垂直电场作用下gase二维材料的能带结构图。
具体实施方式
参考图1，本发明的二维旋光器件其结构由下至上依次为基底、增强光吸收层、第一透明电极、iii-vi族硫属化物二维材料、铁磁金属层、bn二维材料保护层及第二透明电极。本实施例以sio2/si基底、ag增强光吸收层、第一石墨烯透明电极、gase二维材料、fe团簇金属层、bn二维材料保护层、第二石墨烯透明电极为例进行具体说明。
所述ag增强光吸收层为由表面等离子激元金属ag构成的具有150nm特征尺度的颗粒状非周期性纳米结构。
所述第一石墨烯透明电极和第二石墨烯透明电极的厚度大约为3分子层。
所述gase二维材料的厚度大约为10nm。
所述fe团簇金属层为由fe金属构成的颗粒状非周期性团簇结构；团簇侧向尺度为1～2μm，纵向高度为4～28nm，且团簇形貌较为一致。
所述bn二维材料保护层的厚度大约为10nm。
本实施例一种极化率可控的可变波长二维旋光器件的制备方法为：
1、首先，采用热蒸发方法在sio2/si基底上制备ag增强光吸收层。
1)通过化学清洗(使用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗)获得清洁的sio2/si基底。
2)将sio2/si基底放置于制备腔的磁力杆上，腔内放置一个直流加热灯丝，灯丝上挂载ag金属源。
3)先用机械泵将腔内气压抽至低于10-3torr，再用分子泵将气压抽至10-8torr以下，然后通过直流加热灯丝将ag金属源加热至1000℃左右，待20s后ag金属源温度稳定，利用磁力杆将sio2/si基底推至ag金属源正前方约15cm处。
4)控制沉积时间为20s后，利用磁力杆将基底推至远离蒸发源，同时关闭直流加热电源，待30min后腔体基本冷却，向腔内通入氩气至大气压后取出基底。
2、然后，采用转移技术制备第一石墨烯透明电极。
1)取一小片生长在铜箔上的单分子层石墨烯样品，在石墨烯表面旋涂一层pmma；待pmma固化后，用(nh4)2s2o8溶液(～1mol/l)将金属衬底溶解。
2)将带有石墨烯的pmma转移到增强光吸收层上方，待残留液体晾干后，将基片放置于加热台上，在100℃下加热1小时使石墨烯与基片更紧密接触。
3)将转移了石墨烯的基片浸泡于丙酮中数小时，以彻底溶解pmma。
4)重复以上步骤1～3，转移3分子层石墨烯透明电极。
3、进而，采用机械剥离与转移技术制备gase二维材料。
1)取一小片gase体材料，然后将其粘贴在粘性适当的胶带上，并取用另一片大小相当的胶带与其对粘撕开，反复进行几次对撕，将胶带上gase体材料减薄为约10nm的gase二维材料。
2)再将粘有gase二维材料的胶带贴至pdms柔性薄膜上，轻轻按压后缓慢揭开，gase二维材料由此转移至pdms柔性薄膜表面。
3)进而将附有gase二维材料的pdms柔性薄膜覆盖至第一石墨烯透明电极表面并轻轻压紧，随后将pdms揭除，gase二维材料转移由此至第一石墨烯透明电极表面。
4)采用afm测试gase二维材料的厚度，采用光学显微镜观测其尺度及厚度均匀性，选取尺度10μm以上、厚度均匀、范围从单分子层到小于10nm的薄层(如图2所示)。将基片并放置于退火炉中，采用机械泵将退火炉内气压抽至10-3torr以下，通入流量为50sccm的氩气，在200℃下退火30min，去除转移过程中残留的有机杂质以及空气中吸附的气体分子。
4、在gase二维材料表面制备fe金属团簇。
一实施例中，可使用热蒸发方法制备fe金属团簇：
1)将基片放置于制备腔的磁力杆上，腔内放置一个直流加热灯丝，灯丝上挂载fe金属源，可通过调节沉积时间及灯丝与基片的间距控制fe的覆盖度。
2)先用机械泵将腔内气压抽至低于10-3torr，再用分子泵将气压抽至10-8torr以下，然后通过直流加热灯丝将fe金属源加热至1400℃左右，待20s后fe金属源温度稳定，利用磁力杆将基片推至fe金属源正前方约5cm处。
3)分别控制沉积时间为10s和40s后，利用磁力杆将基片推至远离蒸发源，同时关闭直流加热电源。待30min后腔体基本冷却，向腔内通入氩气至大气压后取出基片，并立即放置于氮气环境中保护以防止氧化。
另一实施例中，可使用磁控溅射方法制备fe金属团簇：
1)将基片放置于磁控溅射系统的真空腔中，先用机械泵将腔内气压抽至低于10-3torr，再用涡轮分子泵将气压抽至10-6torr以下。对靶材预溅射30min，以去除靶材表面氧化层及其它吸附杂质。
2)靶材处理完毕后，打开档板阀，在射频信号100v的条件对正下方的gase二维材料表面溅射fe金属原子，分别控制溅射时间为3s和12s，获得不同覆盖度的fe金属团簇。
3)溅射完毕之后，关闭档板阀，向腔内通入氩气至大气压后取出基片，并立即放置于氮气环境中保护以防止氧化。
接着，调节fe金属团簇的形貌及尺度。
1)将基片放置于退火炉中，先用机械泵将退火炉内气压抽至低于10-3torr，再用分子泵将气压抽至10-6torr以下，然后通入流量为50sccm的氩气，在150℃下退火10min。
2)对退火后的基片表面进行afm形貌表征，可以观察到尺度较一致的fe金属团簇均匀分布于gase二维材料表面(如图3所示)。热蒸发沉积时间为10s的样品表面fe金属团簇的侧向尺度约为1μm，纵向高度约为4nm，热蒸发沉积时间为40s的样品表面fe金属团簇的侧向尺度约为2μm，纵向高度约为28nm。
5、进一步，采用步骤3所述机械剥离与转移技术制备厚度约为10nm的bn二维材料，并转移至铁磁金属团簇结构表面。
6、采用步骤2所述转移技术在bn二维材料保护层上制备第二石墨烯透明电极。
7、最后，检测器件的旋光现象，实现旋光极化率与旋光波长的调控。
1)选择中心波长为325nm，功率为100μw的紫外激光器，为了提高激光的单色性，确保可靠性与准确性，在激光前放置一片325±2nm的滤光片。室温下，经滤光片后的激光垂直入射于器件表面。
2)激光激发器件产生旋光信号，通过单色光谱仪、光电倍增管与锁相放大器探测发光信号中的左旋圆偏振和右旋圆偏振部分并进行比较，得到材料的自旋极化率。可以观察到，未沉积fe金属时几乎无自旋极化性质；fe金属热蒸发沉积时间为10s时，旋光的自旋极化率为13％(如图4所示)；fe金属热蒸发沉积时间为40s时，旋光极化率发生反向翻转并上升至24％(如图5所示)。由此证明，通过精确控制fe金属团簇尺度与覆盖度，可以实现旋光现象的产生及其极化率的调控。
3)通过第一和第二透明电极向器件施加垂直电场，理论计算结果表明，垂直电场强度为
本发明提供的极化率可控的可变波长二维旋光器件基于iii-vi族硫属化物二维材料与铁磁金属团簇的异质结构，通过采用真空热蒸发或磁控溅射方法以及后续低温热退火技术，控制铁磁金属团簇的形貌及尺度，从而改变其内部磁矩结构。具有一定磁矩方向的铁磁金属团簇通过异质界面的磁耦合作用影响iii-vi族硫属化物二维材料的自旋极化性质，并通过外加垂直电场调节iii-vi族硫属化物二维材料的带隙宽度，使器件在入射激光激发下产生具有可控自旋极化率，且波长从紫外到红外的宽波段范围内连续可调的旋光效应。
以上所述仅为本发明的较佳实例而已，并不是用来限制本发明的，其他的凡是在本发明的相似原理、精神和原则之内所做的任何修改、替换和改进等，均应该包含在本发明的保护范围之内，本发明未详尽描述的内容均为常规技术内容。