一种基于二氧化钒的振幅可调自旋电子太赫兹发射器 |
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| 申请号 | CN202311792436.4 | 申请日 | 2023-12-25 | 公开(公告)号 | CN117767090A | 公开(公告)日 | 2024-03-26 |
| 申请人 | 中国科学技术大学; | 发明人 | 周婷; 张国斌; 邹崇文; | ||||
| 摘要 | 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。 | ||||||
| 权利要求 | 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： |
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| 说明书全文 | 一种基于二氧化钒的振幅可调自旋电子太赫兹发射器技术领域[0001] 本发明涉及太赫兹发射技术领域，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[0002] 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。 [0003] 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。 [0004] 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。 [0005] 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。 发明内容[0006] 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。 [0007] 本发明的技术方案如下： [0008] 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。 [0011] 所述镍层和铂层均为非晶薄膜，且构成双层膜异质结； [0012] 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。 [0013] 进一步限定的技术方案如下： [0014] 所述二氧化钒(VO2)的厚度为30～34nm。 [0015] 所述镍层的厚度为3～5nm。 [0016] 所述铂层的厚度为2～4nm。 [0017] 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： [0018] (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； [0020] 步骤(1)中，沉积过程中的氧通量为2.0～2.5SCCM。 [0021] 步骤(2)中，镍薄膜的溅射功率为6W，铂薄膜的溅射功率为10W。 [0022] 与现有技术相比，本发明的有益技术效果体现在以下方面： [0023] 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。 [0024] 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： [0025] [0026] 其中，T27℃和T127℃分别表示在27℃和127℃时的太赫兹发射振幅。 [0027] 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： [0028] [0029] 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。 [0030] 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。附图说明 [0031] 图1为本发明的振幅可调自旋电子太赫兹发射器的结构示意图； [0032] 图2为本发明的振幅可调自旋电子太赫兹发射器在室温且无外加电流条件下的太赫兹发射时域谱和频域谱图； [0033] 图3为实施例2中热刺激下，振幅可调自旋电子太赫兹发射器的太赫兹发射谱图； [0034] 图4为实施例3中电刺激下，振幅可调自旋电子太赫兹发射器的太赫兹发射谱图。 [0035] 图1中序号：基底1、二氧化钒层2、镍层3、铂层4。 具体实施方式[0036] 下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步的说明。 [0037] 实施例1 [0038] 参见图1，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： [0039] (1)采用分子束外延设备，在温度450℃、气压3×10‑7Pa的真空环境下、氧通量为2.0SCCM，在基底1上沉积二氧化钒(VO2)的单晶外延薄膜，得到厚度30nm的二氧化钒层2，二氧化钒层2为单晶外延薄膜。 [0040] 基底1的材料为三氧化二铝，厚度为0.5mm。 [0041] (2)采用电子束蒸镀设备，在温度27℃、气压3×10‑5Pa的真空环境，溅射功率为6W条件下，在二氧化钒层上溅射厚度3nm的镍薄膜，得到镍层3； [0042] 接着，在溅射功率为10W条件下，溅射厚度2nm的铂薄膜，得到铂层4。 [0043] 镍层3和铂层2均为非晶薄膜，且构成双层膜异质结。 [0044] 本实施例1制备的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。 [0045] 参见图2，图2中的A，时域谱展示了太赫兹发射的典型波形，而由图2中的B的频域图可以看出该振幅可调自旋电子太赫兹发射器能提供0～3THz的宽谱太赫兹发射。 [0046] 实施例2 [0047] 参见图3，施加外部温度27℃～127℃的热刺激对振幅可调自旋电子太赫兹发射器的调制实验如下： [0048] (1)采用分子束外延设备，在温度500℃、3×10‑7Pa的真空环境下、氧通量为2.3SCCM，在基底1上沉积二氧化钒(VO2)的单晶外延薄膜，得到厚度32nm的二氧化钒层2，二氧化钒层2为单晶外延薄膜。 [0049] 基底1的材料为三氧化二铝，厚度为0.5mm。 [0050] (2)采用电子束蒸镀设备，溅射条件同实施例1，在二氧化钒层上溅射厚度4nm的镍薄膜，得到镍层3； [0051] 接着，在同实施例1的条件下，溅射厚度3nm的铂薄膜，得到铂层4。 [0052] 镍层3和铂层2均为非晶薄膜，且构成双层膜异质结。 [0053] 将本实施例2制备的振幅可调自旋电子太赫兹发射器置于变温腔中，通过改变变温腔的温度，对器件施加外部温度27℃～127℃的热刺激，实现对太赫兹发射振幅的调制。 [0054] 参见图3，图3中的A～F分别展示了器件在外部温度27℃、47℃、67℃、87℃、107℃、127℃的热刺激下，太赫兹发射振幅的时域波形。图3的A中，27℃时，二氧化钒薄膜处于相变前的绝缘态，对于太赫兹波具有超高的透过率，随着外部温度逐渐增加，二氧化钒转变为金属态，对太赫兹波的吸收作用和反射作用增强。图3的A和F分别对应了太赫兹振幅的最大值和最小值，即室温27℃和127℃时，振幅调制深度MD>90％，MD的定义如下： [0055] [0056] 其中，T27℃和T127℃分别表示在27℃和127℃时的太赫兹发射振幅。 [0057] 实施例3 [0058] 参见图4，施加电流0～160mA的电刺激对振幅可调自旋电子太赫兹发射器的调制实验如下： [0059] (1)采用分子束外延设备，在温度550℃、3×10‑7Pa的真空环境下、氧通量为2.5SCCM，在基底1上沉积二氧化钒(VO2)的单晶外延薄膜，得到厚度34nm的二氧化钒层2，二氧化钒层2为单晶外延薄膜。 [0060] 基底1的材料为三氧化二铝，厚度为0.5mm。 [0061] (2)采用电子束蒸镀设备，溅射条件同实施例1，在二氧化钒层上溅射厚度5nm的镍薄膜，得到镍层3； [0062] 接着，在同实施例1的条件下，溅射厚度4nm的铂薄膜，得到铂层4。 [0063] 镍层3和铂层2均为非晶薄膜，且构成双层膜异质结。 [0064] 对本实施例2制备的振幅可调自旋电子太赫兹发射器施加0～160mA电流提供电刺激，实现对太赫兹发射振幅的调制。 [0065] 参见图4，图4中的A～E分别展示了器件在电流0mA、40mA、80mA、120mA、160mA的热刺激下，太赫兹发射振幅的时域波形。图4的A中，0mA时，二氧化钒薄膜处于相变前的绝缘态，对于太赫兹波具有超高的透过率，随着电流逐渐加大，二氧化钒转变为金属态，对太赫兹波的吸收作用和反射作用增强。图4的A和E分别对应了太赫兹振幅的最大值和最小值，即0mA和160mA时，振幅调制深度MD>90％，MD的定义如下： [0066] [0067] 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。 [0068] 以上所述实施例仅代表了本发明的几种实施方式，其描述较为具体详细，但并不能因此理解为对本发明范围的限制。应指出的是，对于从事本领域的技术人员来说，在没有脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。 |
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