CN102983158B - 一种光学激发产生自旋极化电子和自旋电流的方法 - Google Patents
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Abstract
一种利用光学激发产生自旋极化电子和自旋电流的方法，利用光学全反射在界面上所产生的倏逝波与位于该界面上产生自旋极化电子和自旋电流的功能层所包含的由表面等离激元金属材料构成的具有纳米特征尺寸的结构发生相互作用，激发表面等离激元，使共振跃迁的表面自由电子在表面等离激元金属材料构成的结构的表面有效磁场中发生自旋进动，形成共同的自旋磁矩分量，从而在产生自旋极化电子的功能层中产生了自旋极化电子，进而伴随着表面等离激元在表面（或界面）的传播而形成自旋电流。
Description
技术领域
本发明涉及电子自旋器件领域，特别涉及一种产生自旋极化电子和自旋电流的方法。
背景技术
基于自旋的电子学器件由于非易失、数据处理速度快、集成密度高和低功耗等方面的优势成为电子器件的一个发展趋势。目前产生自旋极化电子和自旋电流主要有两类方法：电学方法和光学方法。其中电学方法主要包括：（1）自旋扩散输运。通过铁磁金属做电极引入极化电子，即在铁磁金属与半导体材料的界面形成欧姆接触，在电场的驱动下将铁磁金属中的自旋极化电流引入到半导体材料中。由于铁磁金属与半导体的电阻失配率较高，以及铁磁金属本身自旋极化率较低，导致注入的效率较低（<30%）。（2）自旋隧穿。利用铁磁金属（FM）-绝缘体-铁磁金属（FM）隧道结，隧穿势垒能够保持隧穿过程中的自旋极化。但该方法依赖于在半导体上外延生长铁磁薄膜，要求形成尖锐的界面和高质量的Schottky势垒，对加工工艺水平要求很高。（3）自旋弹道输运。利用弹道输运将铁磁材料中的自旋极化电子注入到半导体材料或非铁磁金属材料中。该方法与前一种方法一样，需要高质量的Schottky势垒，对加工工艺要求高。（4）利用稀磁半导体在磁场下的巨Zeeman分裂效应。但由于材料的居里温度迄今尚不能达到室温以上，目前还不能将其应用到实际器件中。光学方法主要是指：用一束圆偏振光照射到半导体量子阱结构上，从价带激发电子到导带，由于空穴与电子之间的跃迁选择定则，使不同自旋取向的电子以不同概率跃迁，使导带上形成自旋极化的电子。虽然光学方法在高速调制方面优于电学方法，但上述光学方法仍存在室温下自旋极化率不高、需要低温等问题。制造与自旋有关的电子器件，最关键的问题仍是在不需要强磁场和室温条件下产生自旋极化的电子和自旋电流。
发明内容
本发明针对现有技术的室温下自旋极化率不高、需要低温等问题，提出一种室温下利用光学激发产生自旋极化电子，即非平衡自旋取向电子，和自旋电流的方法。本发明对激发光的光谱范围没有限制，可在很宽温度范围内，包括室温下，实现高效率的光学激发的电子自旋取向。
本发明将表面等离激元金属材料的光学特性和其特殊电子能带结构相结合，利用光学激发产生自旋极化电子，即非平衡自旋取向电子，和自旋电流，具体内容为：
（1）光波从一种折射率为n1的光密介质，以大于全反射临界角的入射角射向所述的光密介质和一种折射率为n2的光疏介质构成的界面，n1>n2，并在所述的光密介质和光疏介质构成的界面上发生一次或多次全反射，使所述界面上的一个功能层上产生自旋极化电子和自旋电流，所述的功能层包含有由表面等离激元金属材料构成的具有纳米特征尺寸的结构；
（2）所述的光学全反射在所述的界面上产生了倏逝波（或称消逝波），所述的倏逝波能透入所述的产生自旋极化电子和自旋电流的功能层；
（3）所述的倏逝波与所述功能层中由表面等离激元金属材料构成的结构发生相互作用，导致表面等离激元共振的发生，在表面等离激元金属材料构成的结构上形成共振跃迁的表面自由电子；
（4）表面等离激元金属材料构成的结构在自旋-轨道耦合相互作用等微观作用下形成了表面有效磁场；所述的共振跃迁的表面自由电子在该表面有效磁场中发生自旋进动，形成共同的自旋磁矩分量，从而在所述的产生自旋极化电子的功能层中产生了自旋极化电子，进而伴随着表面等离激元在表面或界面的传播而形成自旋电流。
一般的，上述由表面等离激元金属材料构成的结构可以是一个由表面等离激元金属材料构成的薄膜。
较优的，上述由表面等离激元金属材料构成的结构也可以是一个由表面等离激元金属材料构成的周期性纳米结构，如纳米光栅结构和纳米孔阵列结构等。
较优的，上述由表面等离激元金属材料构成的结构还可以是一个由表面等离激元金属材料构成的非周期纳米结构，如岛状的非周期纳米结构或颗粒状的非周期纳米结构。
一般的，上述由表面等离激元金属材料构成的结构具有纳米特征尺寸是指由表面等离激元金属材料构成的薄膜的厚度具有纳米特征尺寸，或由表面等离激元金属材料构成的周期性结构的周期尺度具有纳米特征尺寸，或由表面等离激元金属材料构成的周期性结构的周期单元结构具有纳米特征尺寸，或由表面等离激元金属材料构成的非周期性结构的非周期分布的个体结构具有纳米特征尺寸。
一般的，上述纳米特征尺寸是指小于500nm的尺寸。
较优的，上述纳米特征尺寸是指小于100nm的尺寸。
上述表面等离激元金属材料是Au、Ag、Cu或Al中的一种或几种，以及它们的合金。
本发明的有益效果是：
（1）本发明所述方法对激发光的光谱范围没有限制，可在很宽温度范围内（包括室温）实现高效率的光学激发的电子自旋取向。
（2）本发明所述方法具有简单灵活的特点，便于与光纤和集成光波导技术紧密结合，实现集成与微小型化。
（3）本发明所述方法具有很强的兼容性，将表面等离激元金属材料与半导体材料、有机功能材料、磁性材料等其他功能材料在功能层中复合应用，可实现电子自旋的注入、操控和探测等多种功能，可应用于磁场、电流、物质成分等多种传感领域。
附图说明
图1为本发明实施例1的原理示意图，图中：1玻璃、2空气、3全反射界面、4产生自旋极化电子和自旋电流的功能层、5由表面等离激元金属材料构成的结构、6光波。
图2为本发明实施例2的原理示意图，图中：7光纤（SiO2）。
具体实施方式
以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明。
本发明利用光学激发产生自旋极化电子和自旋电流的方法是基于光波在两种折射率不同的介质所构成的界面上发生的全发射来实现的，所以对介质种类没有特殊要求，只要满足能够使光波在光密介质中传播，以大于临界角的入射角入射到界面处可发生全反射即可。光密介质可以选择二氧化硅、玻璃、Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体，如InP、GaAs等、铌酸锂、钽酸锂、有机聚合物，如丙烯酸酯、氟化聚酰亚胺等，以及硅和锗半导体等。
所述的产生自旋极化电子和自旋电流的功能层位于上述两种介质组成的界面处，除包括由表面等离激元金属材料构成的结构外，可以包含其他结构和成分，只要不影响光学全反射的发生即可。
所述的由表面等离激元金属材料构成的结构可以是由表面等离激元金属材料构成的纳米薄膜，也可以是利用表面等离激元金属材料制备的周期性纳米结构，还可以是由表面等离激元金属材料构成的非周期纳米结构。
所述的由表面等离激元金属材料构成的薄膜可以采用物理和化学气相沉积技术制备和表面吸附技术制备，具体包括真空热蒸镀技术、电子束蒸镀技术、磁控溅射镀膜技术、离子束沉积技术、脉冲激光辅助沉积技术和分子束外延技术等。
所述的由表面等离激元金属材料构成的周期性纳米结构可以采用微纳加工技术制备，具体包括光刻技术、电子束曝光技术和聚焦离子束刻蚀技术等。
所述的由表面等离激元金属材料构成的非周期纳米结构可以采用薄膜热处理、表面纳米结构吸附和原位合成等方法来实现。
所述的表面等离激元金属材料可以是Au、Ag、Cu或Al中的一种或几种，以及它们的合金。
实施例1：
图1为本发明实施例1的原理示意图，如图1所示，玻璃1与空气2构成全反射界面3，在界面3上存在产生自旋极化电子和自旋电流的功能层4，功能层4中包含由表面等离激元金属材料构成的结构5。光波6以大于全反射临界角的入射角从玻璃1射向界面3发生全反射，利用由全反射产生的倏逝波（或称消逝波）与功能层4中由表面等离激元金属材料构成的结构5的相互作用，在功能层4中产生自旋极化电子和自旋电流。
在功能层4中由表面等离激元金属材料构成的结构5可以且不限于以下几种结构：
（1）利用电子束蒸镀技术在玻璃表面制备的30nm厚的Au薄膜。
（2）利用真空热蒸镀技术在玻璃表面制备的200nm厚的Al薄膜。
（3）利用磁控溅射技术在玻璃表面制备的60nm Cu/1nmAu复合薄膜。
（4）利用光刻技术在玻璃表面制备Au光栅，其中光栅周期为500nm，光栅填充因子为0.5，光栅深度为25nm。
（5）利用聚焦离子束刻蚀技术在玻璃表面制备Ag纳米孔阵列结构，其中孔直径为50nm，孔间距为250nm。
（6）利用电子束蒸镀技术在玻璃表面制备的10nm厚的Au薄膜，将该薄膜在空气中以400℃条件下做退火处理，在玻璃表面形成岛状的非周期Au纳米结构。
（7）利用化学还原法原位合成15nmAg纳米粒子，并将玻璃表面硅烷化，如修饰3－氨基丙基三甲氧基硅烷，使粒径为15nm的Ag纳米粒子吸附固定到玻璃表面上形成Ag纳米粒子膜层，在玻璃表面形成颗粒状的非周期Au纳米结构。
（8）利用化学还原法原位合成20nmAu纳米粒子，将溶有Au纳米粒子的PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）的四氢呋喃溶液涂在玻璃表面上，待溶剂蒸发后获得具有Au纳米粒子的PMMA薄膜，在玻璃表面形成颗粒状的非周期Au纳米结构。
实施例2：
图2为本发明实施例2的原理示意图，如图2所示，光纤7，即SiO2介质，与空气2构成全反射界面3，在界面3上存在产生自旋极化电子和自旋电流的功能层4，功能层4中包含由表面等离激元金属材料构成的结构5。光波6以全反射方式在光纤7中传输，在界面3上发生多次全反射，利用由全反射产生的倏逝波（或称消逝波）与功能层4中由表面等离激元金属材料构成的结构5的相互作用，在功能层4中产生自旋极化电子和自旋电流。
在功能层4中由表面等离激元金属材料构成的结构5与实施例1相同。
Claims (12)
1.一种利用光学激发产生自旋极化电子和自旋电流的方法，所述的方法为：
光波从一种折射率为n1的光密介质以大于全反射临界角的入射角射向所述折射率为n1的光密介质和另一种折射率为n2的光疏介质构成的界面，n1>n2，在所述界面上发生光学全反射产生了倏逝波；所述的倏逝波与由表面等离激元金属材料构成的结构发生相互作用，激发表面等离激元的产生，在所述的由表面等离激元金属材料构成的结构上形成共振跃迁的表面自由电子，其特征在于：在所述的光密介质和光疏介质构成的界面上存在产生自旋极化电子和自旋电流的功能层；所述的光学全反射产生的倏逝波能透入所述的产生自旋极化电子和自旋电流的功能层；所述的产生自旋极化电子和自旋电流的功能层包含有由表面等离激元金属材料构成的结构；所述的由表面等离激元金属材料构成的结构具有纳米特征尺寸；所述的由表面等离激元金属材料构成的结构在自旋-轨道耦合相互作用下形成了表面有效磁场；所述共振跃迁的表面自由电子在所述的表面有效磁场中发生自旋进动，形成共同的自旋磁矩分量，从而在所述的产生自旋极化电子和自旋电流的功能层中产生自旋极化电子，伴随着表面等离激元在表面或界面的传播进而形成自旋电流。
2.根据权利要求1所述的利用光学激发产生自旋极化电子和自旋电流的方法，其特征在于，所述的由表面等离激元金属材料构成的结构是由表面等离激元金属材料构成的薄膜。
3.根据权利要求1所述的利用光学激发产生自旋极化电子和自旋电流的方法，其特征在于，所述的由表面等离激元金属材料构成的结构是由表面等离激元金属材料构成的周期性纳米结构。
4.根据权利要求3所述的利用光学激发产生自旋极化电子和自旋电流的方法，其特征在于，所述的由表面等离激元金属材料构成的周期性纳米结构是由表面等离激元金属材料构成的纳米光栅结构。
5.根据权利要求3所述的利用光学激发产生自旋极化电子和自旋电流的方法，其特征在于，所述的由表面等离激元金属材料构成的周期性纳米结构是由表面等离激元金属材料构成的纳米孔阵列结构。
6.根据权利要求1所述的利用光学激发产生自旋极化电子和自旋电流的方法，其特征在于，所述的由表面等离激元金属材料构成的结构是由表面等离激元金属材料构成的非周期纳米结构。
7.根据权利要求6所述的利用光学激发产生自旋极化电子和自旋电流的方法，其特征在于，所述的由表面等离激元金属材料构成的非周期性纳米结构是由表面等离激元金属材料构成的岛状的非周期纳米结构。
8.根据权利要求6所述的利用光学激发产生自旋极化电子和自旋电流的方法，其特征在于，所述的由表面等离激元金属材料构成的非周期性纳米结构是由表面等离激元金属材料构成的颗粒状的非周期纳米结构。
9.根据权利要求1所述的利用光学激发产生自旋极化电子和自旋电流的方法，其特征在于，所述的由表面等离激元金属材料构成的结构具有纳米特征尺寸是指由表面等离激元金属材料构成的薄膜的厚度具有纳米特征尺寸，或由表面等离激元金属材料构成的周期性结构的周期尺度具有纳米特征尺寸，或由表面等离激元金属材料构成的周期性结构的周期单元结构具有纳米特征尺寸，或由表面等离激元金属材料构成的非周期性结构的非周期分布的个体结构具有纳米特征尺寸。
10.根据权利要求9所述的利用光学激发产生自旋极化电子和自旋电流的方法，其特征在于，所述的纳米特征尺寸是指小于500nm的尺寸。
11.根据权利要求9所述的利用光学激发产生自旋极化电子和自旋电流的方法，其特征在于，所述的纳米特征尺寸是指小于100nm的尺寸。
12.根据权利要求9所述的利用光学激发产生自旋极化电子和自旋电流的方法，其特征在于，所述的表面等离激元金属材料是Au、Ag、Cu或Al中的一种或几种。
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