一种基于电压控制磁化的自旋电子太赫兹波发射器的制作方法

本实用新型实施例涉及太赫兹脉冲产生技术领域，尤其涉及一种基于电压控制磁化的自旋电子太赫兹波发射器。

背景技术：

太赫兹(Terahertz,THz)是电磁波谱上位于远红外和毫米波之间的波段，频率在0.1-10THz之间。该频段的太赫兹波具有很强的透射性、安全性和光谱分辨能力，在生物鉴定、安全监测和通信遥感等领域有广泛的应用前景。

当前较为成熟的太赫兹制备和探测手段主要基于光电子学，如以碲化锌(ZnTe)光整流效应为基础的太赫兹发射源和以低温生长的砷化镓(LT-GaAs)光电导天线为发射源的太赫兹技术。这些技术的优点是生产技术体系成熟，产生的电场强度高、稳定性好，但也存在制备工艺复杂和成本高昂等缺点，不能真正实现大规模的生产与应用。因而改进当前太赫兹技术、研发高效低成本的新型太赫兹发射源具有重要的意义。

自旋电子学的兴起与发展为太赫兹技术带了新的突破。自旋电子学的某些物理现象，如交换型磁振子、反铁磁共振、超快自旋动力学等，其特征频率刚好处于太赫兹频段。基于自旋电子学的现象和原理，主要产生了三类新型太赫兹波产生方法，分别是：自旋注入产生太赫兹波、基于反铁磁共振的太赫兹波产生和基于超快自旋动力学的太赫兹波产生。其中基于超快自旋动力学，利用飞秒激光脉冲照射铁磁/非磁异质多层薄膜产生太赫兹波的方法是当前的热门。

基于超快自旋动力学的方法的原理是利用飞秒激光脉冲照射铁磁/非磁异质多层薄膜表面，铁磁层内部电子吸收光能量跃迁到高于费米能级的状态，产生非平衡的电子分布；受激发产生的自旋向上电子具有sp电子特性，自旋向下的电子具有p电子特性，前者的速度比后者快5倍，产生了瞬时的自旋流。由于逆自旋霍尔效应，自旋向上和向下电子被散射到相反方向，注入非磁层的瞬时自旋流转变成瞬时的电荷流，从而辐射出宽带太赫兹脉冲，但是通过这种方式产生太赫兹波装置，都存在能耗高，效率低、可控性差等缺点。

技术实现要素：

本实用新型实施例提供一种基于电压控制磁化的自旋电子太赫兹波发射器，用以解决现有技术中基于超快自旋动力学产生太赫兹波时能耗高，效率低、可控性差等缺点，实现超宽带太赫兹脉冲辐射的发射。

本实用新型实施例提供一种基于电压控制磁化的自旋电子太赫兹波发射器，包括多层膜结构、飞秒激光器和电压源；

所述多层膜结构包括依次层叠的电极薄膜层、绝缘薄膜层，以及具备垂直磁各向异性的铁磁薄膜层和具有负自旋霍尔角的非铁磁薄膜层；

所述电压源的正极连接所述电极薄膜层，所述电压源的负极连接所述非铁磁薄膜层；

所述飞秒激光器设于多层膜结构的电极薄膜层一侧，用于向所述多层膜结构发射泵浦激光。

作为优选的，所述泵浦激光的脉冲宽度小于1ps。

作为优选的，所述非铁磁薄膜层为重金属材料层，所述重金属材料层为铂材料层或钨材料层。

作为优选的，所述电极薄膜层为透明金属层，所述电极薄膜层全部或部分覆盖在所述绝缘薄膜层表面；所述绝缘薄膜层为金属氧化物层。

作为优选的，所述绝缘薄膜层和所述铁磁薄膜层之间还设有嵌入层，所述嵌入层为金属层、高分子聚合物聚酰亚胺层或离子胶层。

作为优选的，所述多层膜结构为规则或不规则形状。

作为优选的，所述铁磁薄膜层为过渡金属层或铁磁性合金层；

作为优选的所述铁磁性合金层为CoFeB合金层或CoFe合金层。

本实用新型实施例提供的一种基于电压控制磁化的自旋电子太赫兹波发射器，基于逆自旋霍尔效应，使用泵浦激光照射包括电极薄膜层、绝缘薄膜层、铁磁薄膜层和非铁磁薄膜层的多层膜结构，产生宽带太赫兹脉冲；基于拉什巴效应和自旋轨道理论，通过施加可控电压改变面内面外磁化比，达到改变输出太赫兹大小的目的；构成多层膜结构的材料成本相对低廉，铁磁薄膜层可以大规模制备，不同于现有的非线性晶体和光电导天线，成本大大降低，且铁磁薄膜层具备垂直磁各向异性，因而其单位面积上的磁化远高于面内磁化。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例中基于电压控制磁化的自旋电子太赫兹波发射器的多层膜结构发射太赫兹波侧视图；

图2为本实用新型实施例的基于电压控制磁化的自旋电子太赫兹波发射器的多层膜结构发射太赫兹波俯视图；

图3为本实用新型实施例的基于电压控制磁化的自旋电子太赫兹波发射器的另一实施例的多层膜结构侧视图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

现有技术中，在通过超快自旋动力学产生太赫兹波时，利用飞秒激光脉冲照射铁磁/非磁异质多层薄膜表面，铁磁层内部电子吸收光能量跃迁到高于费米能级的状态，产生非平衡的电子分布；受激发产生的自旋向上电子具有sp电子特性，自旋向下的电子具有p电子特性，前者的速度比后者快5倍，产生了瞬时的自旋流。由于逆自旋霍尔效应，自旋向上和向下电子被散射到相反方向，注入非磁层的瞬时自旋流转变成瞬时的电荷流，从而辐射出宽带太赫兹脉冲，目前众多的研究已经证实了该方法的可靠性，但是仍然存在能耗高，效率低、可控性差等缺点。因此，本实用新型实施例中基于逆自旋霍尔效应，使用泵浦激光照射包括电极薄膜层、绝缘薄膜层、铁磁薄膜层和非铁磁薄膜层的多层膜结构，产生宽带太赫兹脉冲；以下将通过多个实施例进行展开说明和介绍。

图1示出了本申请实施例提供的一种基于电压控制磁化的自旋电子太赫兹波发射器，包括多层膜结构、飞秒激光器和电压源；

所述多层膜结构包括依次层叠的电极薄膜层1、绝缘薄膜层2，以及具备垂直磁各向异性的铁磁薄膜层3和具有负自旋霍尔角的非铁磁薄膜层4；

所述电压源的正极连接所述电极薄膜层1，所述电压源的负极连接所述非铁磁薄膜层4；

所述飞秒激光器设于多层膜结构的电极薄膜层1一侧，用于向所述多层膜结构发射泵浦激光。

在本实施例中，飞秒激光器输出的泵浦激光透过上述多层膜结构，产生基于磁场方向极化的太赫兹波，其中，飞秒激光器具体为飞秒激光振荡器、飞秒激光放大器、或者光纤飞秒激光器。

在本实施例中，初始铁磁薄膜层3具备垂直磁各向异性，施加电压之后，使得原本垂直于界面、位于面外的磁化方向转变为面内的磁化方向，此时施加在面内固定的磁场会使得面内磁化方向沿着某一固定方向，如图1中所示，飞秒泵浦激光从电极薄膜层1一侧入射进入多层膜结构后，铁磁薄膜层3内产生方向相反的自旋流，自旋流注入非铁磁层，由于逆自旋霍尔效应，自旋流转变为电荷流，从而辐射出太赫兹波。通过调控电压大小，可以改变面内面外磁化比，达到调控太赫兹大小的目的。此外通过改变电压，辐射出的太赫兹波的椭偏率也有可能改变。

电压源通过连接多层膜结构两端电极薄膜层1对该结构施加稳定可调控的电压，该电压可以控制铁磁薄膜层3的磁化状态，从而实现控制发射太赫兹波的目的。电压控制磁化的原理基于自旋轨道耦合效应和拉什巴效应。对于具备垂直磁各向异性的铁磁薄膜层3，其面内面外磁化翻转需要克服不同方向磁化之间的势垒能量。经过实验验证，通过施加合适的电压，可以有效的减小甚至消除这种势垒能量，从而轻易实现翻转，改变铁磁层的面内外磁化比。

如图1、图2中所示，铁磁薄膜层3内部施加有恒定的面内场H，使得该层面内磁化方向沿着磁场方向。飞秒激光器输出的泵浦激光入射至多层膜结构的一个面上，铁磁薄膜层3中会产生方向相反，大小相同的自旋流Js，自旋流流入非铁磁薄膜层4中，由于逆自旋霍尔效应，转化为电荷流Jc，从而辐射出太赫兹波。绝缘薄膜层2和铁磁薄膜层3接触界面由于自旋耦合效应产生了界面垂直磁各向异性。分别在电极薄膜层1和绝缘薄膜层2两端施加可变电压，使得面内面外翻转之间的势垒能降低，导致绝缘薄膜层2面内面外磁化比改变，即绝缘薄膜层2内沿着磁场方向的磁化数量改变，从而导致产生的自旋流和电荷流大小改变，最终导致出射太赫兹波的变化。

在本实施例中，只需要用磁控溅射技术就可生长出的多层膜结构，无需制备大孔径光电导天线的复杂微纳加工技术，克服了传统的太赫兹脉冲辐射发射器对材料要求高、结构复杂的缺点。

基于逆自旋霍尔效应，使用飞秒泵浦激光照射电极薄膜层1、绝缘薄膜层2、铁磁薄膜层3和非铁磁薄膜层4构成的多层膜结构，产生宽带太赫兹脉冲；基于拉什巴效应和自旋轨道理论，通过施加可控电压改变面内面外磁化比，达到改变输出太赫兹大小的目的。且在本实施例中，构成主体结构的材料成本相对低廉，铁磁薄膜层3可以大规模制备，不同于现有的非线性晶体和光电导天线，成本大大降低。磁化密度高：因为使用的铁磁薄膜层3结构具备垂直磁各向异性，因而其单位面积上的磁化远高于面内磁化，能耗降低：在本实施例中，电压可以有效的降低甚至消除磁化翻转的能量势垒，将垂直于表面的磁化转为面内磁化，在面内只需要施加微弱的恒定磁场，即可获得需要的磁化方向。

本实施例中的太赫兹波发射器还能够实现太赫兹的连续可控：通过改变电压的大小，可以改变面内磁化的数量，进而改变发射太赫兹的强度，并且该强度是随着电压的连续变化而变化的。由于结构薄膜内并不存在声子，使产生的太赫兹波的频谱宽度仅仅受限于飞秒激光器产生的泵浦激光的脉冲宽度，而与材料本身的声子振动频率和吸收等因素无关，因此可实现超宽带太赫兹脉冲辐射的发射。

在上述实施例的基础上，所述泵浦激光的脉冲宽度小于1ps。

在本实施例中，多层膜结构的形状不作具体限定，可为规则或不规则形状，如为圆形、椭圆形、正方形、长方形等，也可为其他不规则形状，只要能使泵浦激光的光斑可以完全照射在多层膜结构上即可。在本实施例中，飞秒激光器输出的泵浦激光的脉冲宽度小于1ps，由于恒定磁场为沿着多层膜结构表面内均匀磁场，产生的太赫兹脉冲辐射的偏振态为线偏振态，且偏振方向垂直磁场方向。

在上述实施例的基础上，上述电极薄膜层1为透明金属层，所述电极薄膜层1全部或部分覆盖在所述绝缘薄膜层2表面；电极薄膜层1与电压源的正极相连。

在上述实施例的基础上，所述绝缘薄膜层2为金属氧化物层，如MgO，绝缘薄膜层2有两个作用，一是隔断电流，保持上下的电压降，使得整体结构形如电池；二是在与铁磁薄膜层3界面上通过自旋轨道耦合效应形成界面垂直磁各向异性。

在上述实施例的基础上，铁磁薄膜层3为过渡金属层或铁磁性合金层；所述铁磁性合金层包括CoFeB合金层和CoFe合金层。

在本实施例中，铁磁薄膜层3的材料为铁磁性合金或过渡金属，该层面内施加有微弱的固定磁场H，用以调控面内的磁化方向，如图2中所示。

在上述实施例的基础上，非铁磁薄膜层4为具有负自旋霍尔角的重金属材料层，所述重金属材料层为铂材料层或钨材料层，非铁磁薄膜层4的底部与电压源的负极相连。

在上述实施例的基础上，所述绝缘薄膜层2和所述铁磁薄膜层3之间还设有嵌入层5，所述嵌入层5为金属层、高分子聚合物聚酰亚胺层或离子胶层。

在本实施例中，如图3所示，本实施例中的多层膜结构包括依次层叠的电极薄膜层1、绝缘薄膜层2、嵌入层5、铁磁薄膜层3和非铁磁薄膜层4，在本实施例中，嵌入层5为金属层，具体可为Mg、Co、Fe、Pt等，在其他实施例中，嵌入层5也可为高分子聚合物聚酰亚胺层或离子胶层，本实施例中，通过嵌入层5的结构，有效增强电压控制磁化效应，提高电压控制太赫兹发射的精度。

综上所述，本实施例提供的一种基于电压控制磁化的自旋电子太赫兹波发射器，基于逆自旋霍尔效应，使用泵浦激光照射包括电极薄膜层、绝缘薄膜层、铁磁薄膜层和非铁磁薄膜层的多层膜结构，产生宽带太赫兹脉冲；基于拉什巴效应和自旋轨道理论，通过施加可控电压改变面内面外磁化比，达到改变输出太赫兹大小的目的；构成多层膜结构的材料成本相对低廉，铁磁薄膜层可以大规模制备，不同于现有的非线性晶体和光电导天线，成本大大降低，且铁磁薄膜层具备垂直磁各向异性，因而其单位面积上的磁化远高于面内磁化。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。