一种基于逆轨道霍尔效应的太赫兹辐射源及其制备方法

1.本发明涉及太赫兹波段器件技术领域，更具体地说，尤其涉及一种基于逆轨道霍尔效应的太赫兹辐射源及其制备方法。


背景技术：

2.太赫兹波的频率位于0.1～10thz，介于亚毫米波和红外波之间，具有光子能量低、频率高和穿透性好等众多优势，对于食品检测、环境监测、无损探测、国防安全等领域都具有重大的意义。因此，寻找和研究有效可靠的太赫兹辐射器件具有重大战略价值和意义。
3.申请人经过检索，发现了如下文献：
4.参考文献1：cn110416862b、一种基于范德瓦尔斯异质结的太赫兹辐射源。
5.参考文献2：cn110676673a、基于多指栅结构的太赫兹辐射源器件及其调控方法。
6.参考文献3：cn108566164a、一种基于共振遂穿二极管的太赫兹振荡电路及振荡器。
7.参考文献4：cn111082287b、一种mose2/铁磁金属太赫兹辐射源、制备及太赫兹波激发方法。
8.基于自旋电子学，实现太赫兹辐射源的开发，为实现低成本、高效率的太赫兹辐射源提供了一种崭新的方法，也为太赫兹技术的开发和应用开辟了崭新的道路。
9.而基于自旋电子学的太赫兹辐射源通常是将铁磁材料(co、fe、cofeb等)和非磁重金属(au、pt、ta、w、pd等)或者拓扑绝缘体材料(bise、bite等)复合构成铁磁/非磁异质结，利用飞秒激光驱动，基于重金属或者拓扑绝缘体材料的强自旋-轨道耦合作用，通过逆自旋霍尔效应产生太赫兹频率的电磁波辐射。基于自旋电子学的太赫兹辐射源其太赫兹发射效率可以达到与znte晶体相同的水平，其低成本的制造工艺以及优良的性能使其具有良好的商业前景。但是在这种铁磁/非磁异质结太赫兹辐射源中，重金属材料通常价格昂贵，而拓扑绝缘体材料在工业生产中制备相对困难。
10.基于弱自旋-轨道耦合效应轻金属(al、ti、v、cr、mn、cu)及其氧化物和氮化物中的轨道霍尔效应，可以类似于自旋霍尔效应，将电荷流转换为自旋流。
11.因此，有望将轻金属及其氧化物和氮化物代替铁磁/非磁异质结中的重金属或拓扑绝缘体材料。基于弱自旋-轨道耦合效应材料的逆轨道霍尔效应，实现太赫兹辐射，可以大大降低自旋太赫兹辐射源的成本。
12.同时，申请人在epo数据库中经过检索“霍尔效应太赫兹辐射源”，也未有相关研究。


技术实现要素：

13.本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于逆轨道霍尔效应的太赫兹辐射源及其制备方法。
14.本发明的技术方案是：
15.一种基于逆轨道霍尔效应产生太赫兹辐射源，利用弱自旋-轨道耦合效应材料代替重金属或拓扑绝缘体作为非磁层构建铁磁/非磁异质结，基于弱自旋-轨道耦合效应材料的逆轨道霍尔效应，构建太赫兹辐射源。
16.一种基于逆轨道霍尔效应产生太赫兹辐射源，包括：顺序叠放的单晶基片、铁磁材料层、轻金属层、保护层；
17.所述的铁磁材料层为co、fe、ni、nife、cofeb中的任意一种或几种；
18.所述轻金属层为al、ti、v、cr、mn、cu及其氧化物、氮化物中的任意一种或几种；
19.其中，轻金属层为4-100nm。
20.进一步，所述的单晶基片的材质为mgo或al2o3。
21.进一步，所述的保护层靶材的材质为mgo或al2o3。
22.一种基于逆轨道霍尔效应产生太赫兹辐射源，通过太赫兹信号的极性来区分逆自旋霍尔效应和逆轨道霍尔效应；
23.基于逆自旋霍尔效应产生的太赫兹信号极性依赖于自旋霍尔角；
24.基于逆轨道霍尔效应产生的太赫兹信号极性依赖于弱自旋-轨道耦合效应材料的轨道霍尔角和铁磁层的自旋-轨道转换效率的乘积。
25.一种基于逆轨道霍尔效应的太赫兹辐射源的制备方法，制备弱自旋-轨道耦合效应材料与铁磁材料的复合异质结以产生太赫兹辐射；
26.包括如下步骤：
27.s1，制备原材料：
28.选择单晶基片、铁磁材料层、轻金属层、保护层；
29.s2，通过磁控溅射方法来制备太赫兹辐射源；
30.在单晶基片上依次通过磁控溅射的方式设置铁磁材料层、轻金属层、保护层；
31.其中，单晶基片采用al2o3，铁磁材料层采用2nm的co薄膜、轻金属层为4-100nm的ti薄膜、保护层采用5nm的mgo薄膜；
32.其中，反应参数包括：基底温度、溅射气氛、溅射功率；
33.基底温度为室温；氩气流量为20sccm；溅射压强为2.5mtorr；co、ti和mgo的溅射功率分别为30、30和100w；
34.控制各层的生长顺序：首先生长铁磁层co薄膜，进而生长非磁层ti薄膜，最后生长mgo保护层；
35.控制co、ti和mgo薄膜的厚度分别为2、4-100和5nm，制备al2o3/co/ti/mgo异质结。
36.一种基于逆轨道霍尔效应的太赫兹辐射源的制备方法，制备弱自旋-轨道耦合效应材料与铁磁材料的复合异质结以产生太赫兹辐射；
37.包括如下步骤：
38.s1，制备原材料：
39.选择单晶基片、铁磁材料层、轻金属层、保护层；
40.s2，通过磁控溅射方法来制备太赫兹辐射源；
41.在单晶基片上依次通过磁控溅射的方式设置铁磁材料层、轻金属层、保护层；
42.其中，单晶基片采用al2o3，铁磁材料层采用2nm的co薄膜、轻金属层为4
ꢀ‑
100nm的mn薄膜、保护层采用5nm的mgo薄膜；
43.其中，反应参数包括：基底温度、溅射气氛、溅射功率；
44.基底温度为室温；氩气流量为20sccm；溅射压强为2.5mtorr；co、mn和mgo的溅射功率分别为30、30和100w；
45.控制各层的生长顺序，首先生长铁磁层co薄膜，进而生长非磁层mn薄膜，最后生长mgo保护层；
46.控制co、mn和mgo薄膜的厚度分别为2、4-100和5nm，制备al2o3/co/mn/mgo异质结。
47.一种基于逆轨道霍尔效应的太赫兹辐射源的制备方法，包括如下步骤：
48.s1，制备原材料：
49.选择单晶基片、铁磁材料层、轻金属层、保护层；
50.s2，通过磁控溅射方法来制备太赫兹辐射源；
51.在单晶基片上依次通过磁控溅射的方式设置铁磁材料层、轻金属层、保护层；
52.其中，反应参数包括：基底温度、溅射气氛、溅射功率；
53.基底温度为室温；氩气流量为20sccm；溅射压强为2.5mtorr；
54.铁磁材料层采用co、fe、ni、nife、cofeb中的任意一种，溅射功率为30w～50w；
55.轻金属层采用al、ti、v、cr、mn、cu中的任意一种，溅射功率为30w～50w；
56.保护层采用mgo或al2o3，溅射功率为100w；
57.控制各层的生长顺序，首先生长铁磁材料层薄膜，进而生长轻金属层薄膜，最后生长保护层，得到单晶基片/铁磁材料层/轻金属层/保护层异质结。
58.本技术所述的室温为15℃～25℃。
59.本技术的有益效果在于：
60.第一，本技术的基础构思是：通过磁控溅射方法制备弱自旋-轨道耦合效应材料与铁磁材料的复合异质结，利用弱自旋-轨道耦合效应材料代替重金属或拓扑绝缘体，基于弱自旋-轨道耦合效应材料的逆轨道霍尔效应，构建太赫兹辐射源。
61.第二，在上述基础构思上，本技术提出的结构设计为：包括：顺序叠放的单晶基片、铁磁材料靶材、轻金属、保护层靶材；所述的单晶基片的材质为mgo或al2o3；所述的铁磁材料靶材的材质为co、fe、ni、nife、cofeb中的任意一种或几种；所述轻金属的材质为al、ti、v、cr、mn、cu及其氧化物、氮化物中的任意一种或几种；所述的保护层靶材的材质为mgo或al2o3。
62.第三，本技术研究了制备方法。制备方法的核心参数是：基底温度、溅射气氛、溅射功率。
63.第四，与背景技术的文献相比，本技术的优势在于：
64.1)本技术基于逆轨道霍尔效应，这是一种新型的效应，因为这是一种新型的太赫兹源。
65.2)逆轨道霍尔效应在廉价轻金属中便可以实现，可以实现低成本的太赫兹辐射。
66.3)基于逆轨道霍尔效应的太赫兹源制备工艺简单，并且可以实现高效率的辐射。
附图说明
67.下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不构成对本发明的任何限制。
68.图1为al2o3/co/ti/mgo异质结结构设计图和测量示意图。
69.图2为铁磁材料co与弱自旋-轨道耦合效应材料ti复合异质结中轨道霍尔效应的辨别示意图。
70.图3为al2o3/co/ti/mgo异质结的太赫兹发射光谱图。
71.图4为al2o3/co/mn/mgo异质结结构设计图和测量示意图。
具体实施方式
72.除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的材料，如无特殊说明，均为常规材料；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
73.下面结合附图详细说明本发明，对本发明的技术方案进行完整地描述。
74.实施例1：al2o3/co/ti/mgo异质结制备及太赫兹辐射信号探测。
75.(1)样品制备。
76.采用磁控溅射装置，在溅射靶头上安装co、ti和mgo靶；将al2o3基片放置于样品架位置，调节必要的工艺参数实现成膜。
77.反应参数包括：基底温度、溅射气氛、溅射功率等。最终优化条件为：基底温度为室温；氩气流量为20sccm；溅射压强为2.5mtorr；co、ti和mgo的溅射功率分别为30、30和100w，控制各层的生长顺序，首先生长铁磁层co薄膜，进而生长非磁层ti薄膜，最后生长mgo保护层；控制co、ti和mgo薄膜的厚度分别为2、4-100和5nm，制备al2o3/co(2nm)/ti(4-100nm)/mgo(5nm)异质结(申请人目前的实验表明：轻金属层在4-100nm能出现轨道霍尔效应)。
78.(2)太赫兹辐射信号探测。
79.采用中心波长800nm，脉冲持续时间100fs，平均功率2w，重复频率80mhz的国产太赫兹发射光谱进行了太赫兹发射测量。
80.将飞秒激光束分为泵浦光和探针光，泵浦光在正常入射下激发样品，探针光通过电光采样技术检测产生的太赫兹波。
81.采用厚度为2mm的znte(110)电光晶体进行检测，在样品上施加面内磁场进行检测，所有测量都是在干燥的室温环境下进行的。利用飞秒激光驱动，对本发明所制备的铁磁/非磁异质结进行太赫兹辐射信号探测。
82.(3)结果对比。
83.图1为实施例1中al2o3/co/ti/mgo异质结结构设计图和测量示意图，通过飞秒激光从铁磁层co一侧入射进行激发，对太赫兹发射信号进行探测。
84.图2为实施例1中铁磁材料co与弱自旋-轨道耦合效应材料ti复合异质结中轨道霍尔效应的辨别示意图，通过表征太赫兹信号极性与逆自旋霍尔效应的自旋霍尔角符号相符，还是与轨道霍尔角和铁磁层的自旋-轨道转换效率的乘积的符号相符，证明和辨别了co/ti异质结中的太赫兹发射信号是否源于逆轨道霍尔效应。从图3中al2o3/co/ti/mgo异质结的太赫兹发射光谱图中可以得到，其极性与轨道霍尔角和铁磁层的自旋-轨道转换效率的乘积的符号相符，表明co/ti异质结中的太赫兹发射信号源于逆轨道霍尔效应。
85.实施例2：al2o3/co/mn/mgo异质结制备及太赫兹辐射信号探测
86.(1)样品制备。
87.采用磁控溅射装置，在溅射靶头上安装co、mn和mgo靶；将al2o3基片放置于样品架位置，调节必要的工艺参数实现成膜。反应参数包括：基底温度、溅射气氛、溅射功率等。最终优化条件为：基底温度为室温；氩气流量为20sccm；溅射压强为2.5mtorr；co、mn和mgo的溅射功率分别为30、30和100w，控制各层的生长顺序，首先生长铁磁层co薄膜，进而生长非磁层mn薄膜，最后生长mgo保护层；控制co、mn和mgo薄膜的厚度分别为2、4-100和5nm，制备al2o3/co(2nm)/mn(4-100nm)/mgo(5nm)异质结。
88.(2)太赫兹辐射信号探测。
89.采用中心波长800nm，脉冲持续时间100fs，平均功率2w，重复频率80mhz的国产太赫兹发射光谱进行了太赫兹发射测量。将飞秒激光束分为泵浦光和探针光，泵浦光在正常入射下激发样品，探针光通过电光采样技术检测产生的太赫兹波。采用厚度为2mm的znte(110)电光晶体进行检测，在样品上施加面内磁场进行检测，所有测量都是在干燥的室温环境下进行的。利用飞秒激光驱动，对本发明所制备的铁磁/非磁异质结进行太赫兹辐射信号探测。
90.(3)结果测试。
91.图4为实施例2中al2o3/co/mn/mgo异质结结构设计图和测量示意图，通过飞秒激光从铁磁层co一侧入射进行激发，对太赫兹发射信号进行探测。同样可以通过表征太赫兹信号极性与逆自旋霍尔效应的自旋霍尔角符号相符，还是与轨道霍尔角和铁磁层的自旋-轨道转换效率的乘积的符号相符，证明和辨别了co/mn异质结中的太赫兹发射信号是否源于逆轨道霍尔效应。
92.以上所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式上的限制，任何所属技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所作出局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。