一种基于二氧化钒的振幅可调自旋电子太赫兹发射器

本发明涉及太赫兹发射，具体为一种基于二氧化钒的振幅可调自旋电子太赫兹发射器。

背景技术：

1、太赫兹(thz)波是指频率范围为0.1～10thz的电磁波，位于电磁波谱的远红外和微波之间，具有良好的时空相干性，且光子能量低、穿透力强，在材料科学、成像、无损检测、生物医学、高速6g通信和射电天文学等各个领域都具有非常重要的意义。为了实现太赫兹技术的实际应用，通常需要将复杂的太赫兹系统小型化，例如将太赫兹发射器、太赫兹调制器等在室温下进行集成，同时实现太赫兹波的产生和调制。

2、传统的自旋电子太赫兹发射器基于铁磁层和重金属层的双层膜异质结构，铁磁层常用材料为铁、钴、镍；重金属层常用材料为铂、钽、钨。相较于传统的光电导天线，不仅易于集成，而且理论上能够实现更宽频段的太赫兹发射，是一种较为优秀的太赫兹发射器。在先前的少数研究中，探究了自旋电子太赫兹发射器的调制能力，由于不同重金属的自旋霍尔角不同，可以通过改变重金属层来调制太赫兹波，或者使用微纳加工设计光栅结构或块状异质结，通过改变光栅结构或块状结构的参数来实现太赫兹发射振幅的调制。然而，这些调制方法大多是被动调制，需要通过改变太赫兹发射器的结构来实现，太赫兹波振幅的主动调制才是发展成像、光谱和通信等各种太赫兹应用的必要前提。

3、传统的太赫兹调制器，例如相变材料二氧化钒，由于其相变前后对于太赫兹波的透过率不同，被广泛应用于太赫兹振幅的调制，且拥有较大的调制幅度。然而，这一类的太赫兹器件仅能实现调制功能，在实际应用中仍需要独立的太赫兹源来产生太赫兹波，这就造成太赫兹系统的复杂化。

4、到目前为止，将太赫兹发射器与调制器简单且有效的进行集成，既实现太赫兹波的发射，且能对发射的太赫兹波强度进行高效主动调制，依旧是一个较大的挑战。

技术实现思路

1、为了实现既能发射太赫兹波，又能对发射的太赫兹波强度进行高效主动调制，本发明提供一种基于二氧化钒的振幅可调自旋电子太赫兹发射器。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种基于二氧化钒的振幅可调自旋电子太赫兹发射器包括基底，基底上依次设有二氧化钒层、镍层和铂层。

4、所述基底的材料为三氧化二铝；

5、所述二氧化钒层为单晶外延薄膜；

6、所述镍层和铂层均为非晶薄膜，且构成双层膜异质结；

7、所述振幅可调自旋电子太赫兹发射器既能实现0～3thz的宽谱太赫兹发射，又能实现在同等光路条件下，通过外部温度27～127℃的热刺激、电流0～160ma的电刺激，实现对太赫兹发射振幅的调制。

8、进一步限定的技术方案如下：

9、所述二氧化钒(vo2)的厚度为30～34nm。

10、所述镍层的厚度为3～5nm。

11、所述铂层的厚度为2～4nm。

12、基于二氧化钒的振幅可调自旋电子太赫兹发射器的制备操作步骤如下：

13、(1)采用分子束外延设备，在温度450～550℃、气压3×10-7pa的真空环境下，在基底上沉积二氧化钒(vo2)的单晶外延薄膜，得到厚度30～34nm二氧化钒层；

14、(2)采用电子束蒸镀设备，在温度27℃、气压3×10-5pa的真空环境下，在二氧化钒层上溅射厚度3～5nm镍薄膜，得到镍层；接着溅射厚度2～4nm铂薄膜，得到铂层。

15、步骤(1)中，沉积过程中的氧通量为2.0～2.5sccm。

16、步骤(2)中，镍薄膜的溅射功率为6w，铂薄膜的溅射功率为10w。

17、与现有技术相比，本发明的有益技术效果体现在以下方面：

18、1、本发明的振幅可调自旋电子太赫兹发射器中，镍层相当于现有技术中的铁磁层，作用在于产生自旋流；铂层相当于现有技术中的重金属层，作用在于将自旋流转换为电荷电流；二氧化钒层的作用在于对发射的太赫兹波的振幅进行调控。太赫兹波产生和调制的整体机制如下：当飞秒脉冲激光照射到镍层，会导致镍层中自旋向上和自旋向下的非平衡载流子迁移率不同，因此产生超快自旋流，该自旋流被注入到具有强自旋轨道耦合作用的铂层中，由于逆自旋霍尔效应，该自旋流会被转换为超快电荷流，从而导致宽谱太赫兹发射。发射的太赫兹波被注入到二氧化钒层，由于高质量的外延二氧化钒薄膜在相变前对于太赫兹波具有超过90％的透过率，而在相变后对太赫兹波的透过率可低于10％，因此通过控制二氧化钒的相变，对发射的太赫兹波振幅进行动态调控。

19、2、本发明的振幅可调自旋电子太赫兹发射器，施加外部热刺激使器件温度升高的同时，能对太赫兹发射振幅进行调制，与室温27℃时相比，127℃时二氧化钒层对太赫兹波的透过率降低，对太赫兹发射振幅的调制深度md>90％，md的定义如下：

20、

21、其中，t27℃和t127℃分别表示在27℃和127℃时的太赫兹发射振幅。

22、3、本发明的振幅可调自旋电子太赫兹发射器，施加外部电刺激能对太赫兹发射振幅进行调制，与0ma时相比，施加160ma的表面电流时，对太赫兹发射振幅的调制深度md>90％，md的定义如下：

23、

24、其中，t0ma和t160ma分别表示在施加0ma和160ma表面电流时的太赫兹发射振幅。

25、4、本发明的振幅可调自旋电子太赫兹发射器，将自旋电子太赫兹发射器与太赫兹振幅调制器集成在基底(三氧化二铝)上，与传统光路中太赫兹发射器与太赫兹调制器独立存在相比，本发明的发射器将较为复杂的太赫兹系统小型化，满足更多实际应用的需求。

技术特征：

1.一种基于二氧化钒的振幅可调自旋电子太赫兹发射器，包括基底，其特征在于：

2.根据权利要求1所述一种基于二氧化钒的振幅可调自旋电子太赫兹发射器，其特征在于：所述二氧化钒(vo2)的厚度为30～34nm。

3.根据权利要求1所述一种基于二氧化钒的振幅可调自旋电子太赫兹发射器，其特征在于：所述镍层的厚度为3～5nm。

4.根据权利要求1所述一种基于二氧化钒的振幅可调自旋电子太赫兹发射器，其特征在于：所述铂层的厚度为2～4nm。

5.权利要求1所述一种基于二氧化钒的振幅可调自旋电子太赫兹发射器的制备方法，其特征在于，操作步骤如下：

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，沉积过程中的氧通量为2.0～2.5sccm。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，镍薄膜的溅射功率为6w，铂薄膜的溅射功率为10w。

技术总结
本发明公开了一种基于二氧化钒的振幅可调自旋电子太赫兹发射器，属于太赫兹发射技术领域。由三氧化二铝材料的基底上依次设有二氧化钒层、镍层和铂层构成，二氧化钒层为单晶外延薄膜；镍层和铂层均为非晶薄膜，且构成双层膜异质结。本发明振幅可调自旋电子太赫兹发射器既能实现0～3THz的宽谱太赫兹发射，又能实现在同等光路条件下，通过外部温度27～127℃的热刺激、电流0～160mA的电刺激，实现对太赫兹发射振幅的调制。本发明为实现下一代片上太赫兹源、太赫兹调制器的集成提供可能性，在太赫兹相关领域具有巨大的应用前景。

技术研发人员：周婷,张国斌,邹崇文
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/27