分离三维拓扑绝缘体锑化碲上下表面态光致反常霍尔电流的方法

本发明属于自旋电子学，具体涉及一种分离三维拓扑绝缘体锑化碲上下表面态光致反常霍尔电流的方法。

背景技术：

1、拓扑绝缘体由于具有较强的自旋轨道耦合和自旋动量锁定的狄拉克表面态，被认为是理想的自旋电子学材料。锑化碲是一种强三维拓扑绝缘体材料，具有受拓扑保护的无带隙表面态，并且该表面态受到时间反演对称性的保护，这使得三维拓扑绝缘体锑化碲受到广泛关注。自旋霍尔效应(spin hall effect，she)和逆自旋霍尔效应(inverse spinhall effect，ishe)分别提供了一种利用自旋轨道耦合产生和检测自旋电流的方法。在三维拓扑绝缘体材料中，自旋霍尔效应和逆自旋霍尔效应已经得到了广泛的研究，这表明具有较强自旋轨道耦合的三维拓扑绝缘体可以用于功能自旋电子器件中。

2、光致反常霍尔效应(photo-induced anomalous hall effect，pahe)和光致逆自旋霍尔效应(photo-induced inverse spin hall effect，pishe)是研究材料的自旋霍尔效应和逆自旋霍尔效应的有效手段，因为它们可以在室温下很容易地被测量到，而无需引入磁场或磁性材料。当用圆偏振光照射三维拓扑绝缘体锑化碲时，由于逆自旋霍尔效应，将产生与电场无关的涡旋自旋极化光电流，被称为光致逆自旋霍尔电流。然而，当给锑化碲薄膜施加一个横向的面内电场，产生的自旋相关光电流包含了两种电流，分别是光致逆自旋霍尔电流和由于自旋霍尔效应产生的光致反常霍尔电流，用总自旋相关电流减去零电场时的光致逆自旋霍尔电流即可得到与电场相关的光致反常霍尔电流。

3、在使用光致反常霍尔效应进行研究时，由于三维拓扑绝缘体具有上下两个表面态，在产生光致反常霍尔电流时由于激光能够穿透薄膜，到达下表面，将会在上表面和下表面产生方向相反的光电流，使得对光致反常霍尔电流的分析变得复杂。然而，目前还没有能分离出三维拓扑绝缘体锑化碲上下表面态光致反常霍尔电流的有效方法。

技术实现思路

1、针对现有技术的空白，本发明的目的在于提供一种分离三维拓扑绝缘体锑化碲上下表面态光致反常霍尔电流的方法，该方法利用1064纳米波长的圆偏振光在室温下垂直入射在施加了横向电场的三维拓扑绝缘体锑化碲薄膜上，以诱导光致反常霍尔电流。通过电动平移台使光斑沿着锑化碲薄膜的正方形电极连线的垂直平分线移动，获得了锑化碲薄膜中光致反常霍尔电流与光斑位置的关系，提出了一种分离上下表面态光致反常霍尔电流的理论模型。利用该理论模型中提出的公式拟合得到了锑化碲薄膜的上表面态和下表面态的光致反常霍尔电流的空间分布。本发明直接高效，简单易行，成本低廉，有利于在实际应用中的推广。

2、本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

3、一种分离三维拓扑绝缘体锑化碲上下表面态光致反常霍尔电流的方法，其特征在于，引入平面内横向电场，在圆偏振光垂直入射下诱导光致反常霍尔效应，然后拟合得到圆偏振光激发的三维拓扑绝缘体锑化碲上下表面态光致反常霍尔电流。

4、进一步地，其具体实现步骤如下：

5、步骤s1、在锑化碲薄膜的上表面通过电子束蒸发沉积分别一对边长0.5mm，电极间距2mm的正方形ti/au电极和一对2.8mm×1.2mm的条形ti/au电极；ti和au的厚度分别为10纳米和100纳米；将锑化碲薄膜用低温胶粘贴在真空杜瓦瓶中；而后再将杜瓦瓶安装在一个电动平移台上，可通过步进电机控制电动平移台移动；

6、步骤s2、将1064纳米波长的激光依次通过起偏器、光弹性调制器，然后再通过透镜聚焦，垂直入射在锑化碲薄膜的两个正方形电极的连线的垂直平分线上；入射光的偏振方向和光弹性调制器的光轴之间的角度是45°；激光照射锑化碲薄膜产生的光电流通过两个正方形电极进行收集；收集的电流依次进入电流放大器和锁相放大器；锁相放大器的参考频率为光弹性调制器的一倍频频率；从锁相放大器提取出来的电流通过数据采集卡进行采集；

7、步骤s3、通过步进电机控制电动平移台移动，使激光光斑照射在锑化碲薄膜上正方形电极连线的左侧，将靠近左边条形电极的一侧，作为光斑扫描的起点，记为a点；将靠近右边条形电极的一侧作为光斑扫描的终点，记为b点，a点和b点关于正方形电极连线对称；

8、步骤s4、通过使用静电计在条形电极上为锑化碲薄膜施加一个面内横向电场，记为e，而后通过步进电机控制电动平移台使得光斑在锑化碲薄膜上的位置从a点移动到b点，移动距离为4mm，步长为0.1mm；记录下不同光斑位置下由锁相放大器提取出来的跟光弹性调制器的一倍频同频率的光电流信号，即为自旋相关的光电流信号，记为js；

9、步骤s5、改变锑化碲薄膜面内电场的大小，重复步骤s4，记录不同电场下的自旋相关电流；

10、步骤s6、将e≠0v/cm时的自旋相关光电流js减去e＝0v/cm时的自旋相关光电流，得到不同电场e下的自旋相关光电流，即为总的光致反常霍尔电流；考虑到总的光致反常霍尔电流是上下表面态光致反常霍尔电流的叠加，总的光致反常霍尔电流用以下公式表示：

11、

12、其中，和分别是上和下表面态的光致反常霍尔电导率，其中i为t或b，分别表示上和下表面态，α是与自旋轨道耦合强度成正比的系数，μs是载流子迁移率，δ是与光致反常霍尔电流有关的高斯标准差，x是光斑位置，正方形电极连线与其垂直平分线的交点记为x＝0；c是与光生自旋极化载流子密度有关的常数；表示施加的横向电场，表示光的螺旋度，其中表示入射电磁波x和y分量的电场矢量的位相角，λ的变化是从-1(左旋圆偏振光)到+1(右旋圆偏振光)；是电子的自旋极化方向；通过将公式(1)对测得的总的光致反常霍尔电流进行拟合，即拟合分离出上下表面态的光致反常霍尔电流。

13、进一步地，步骤s1中，锑化碲薄膜的厚度范围是5至20纳米用分，子束外延设备生长在(111)面si衬底上，为单晶结构。

14、进一步地，步骤s2中，1064纳米波长的激光照射在锑化碲薄膜上的激光功率为50mw，光斑直径为0.3mm；斩波器频率为228hz。

15、进一步地，步骤s5中，横向电场的变化范围是-2至+2v/cm。

16、相较于现有技术，本发明及其优选方案具有以下有益效果：

17、1、十分简单易行，成本低廉，有利于在实际应用中的推广。

18、2、直接高效，能为相关应用研究提供技术上的支持与补充。

技术特征：

1.一种分离三维拓扑绝缘体锑化碲上下表面态光致反常霍尔电流的方法，其特征在于，引入平面内横向电场，在圆偏振光垂直入射下诱导光致反常霍尔效应，然后拟合得到圆偏振光激发的三维拓扑绝缘体锑化碲上下表面态光致反常霍尔电流。

2.根据权利要求1所述的分离三维拓扑绝缘体锑化碲上下表面态光致反常霍尔电流的方法，其特征在于，具体实现步骤如下：

3.根据权利要求2所述的分离三维拓扑绝缘体锑化碲上下表面态光致反常霍尔电流的方法，其特征在于，步骤s1中，锑化碲薄膜的厚度范围是5至20纳米，锑化碲薄膜是用分子束外延设备生长在(111)面si衬底上，为单晶结构。

4.根据权利要求2所述的分离三维拓扑绝缘体锑化碲上下表面态光致反常霍尔电流的方法，其特征在于，步骤s2中，1064纳米波长的激光照射在锑化碲薄膜上的激光功率为50mw，光斑直径为0.3mm。

5.根据权利要求2所述的分离三维拓扑绝缘体锑化碲上下表面态光致反常霍尔电流的方法，其特征在于，步骤s5中，横向电场的变化范围是-2至+2v/cm。

技术总结
本发明提出一种分离三维拓扑绝缘体锑化碲薄膜上下表面态光致反常霍尔电流的方法，该方法利用1064纳米波长的圆偏振光在室温下垂直入射在施加了横向电场的三维拓扑绝缘体锑化碲薄膜上，以诱导光致反常霍尔电流。通过电动平移台使光斑沿着锑化碲薄膜的正方形电极连线的垂直平分线移动，获得了锑化碲薄膜中光致反常霍尔电流与光斑位置的变化曲线，提出了一种分离上下表面态光致反常霍尔电流的理论模型。利用该理论模型中提出的公式拟合得到了锑化碲薄膜的上表面态和下表面态的光致反常霍尔电流的空间分布。本发明直接高效，简单易行，成本低廉，有利于在实际应用中的推广。

技术研发人员：俞金玲,稂新杰,程树英
受保护的技术使用者：福州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12