[发明专利]强磁场环境和液氮温度下的自旋相关输运测量系统

说明书

技术领域

本发明涉及半导体自旋电子学领域，特别是涉及对半导体自旋电子学材料(比如：铁磁金属/半导体结构)的自旋相关输运性质的测量。

背景技术

自从1988年巨磁电阻(Giant Magneto Resistance)效应在Fe/Cr多层结构中被发现后，20年来，旨在利用电子的另一内禀属性自旋来扮演电子电荷在现代信息技术领域中类似角色的新兴学科-自旋电子学，无论在实验室还是工业界都取得了令人惊异的长足发展。

在自旋电子学的研究中，磁场往往是不可或缺的实验条件：对如GaAs:Mn一类的所谓稀磁半导体，由于塞曼(Zeeman)效应的存在，能带在外加磁场下会产生分裂，而具有不同的能量和自旋取向；对如Fe/GaAs一类的铁磁金属/半导体结构，在进行自旋注入或自旋滤波等研究时，通常采用法拉第(Faraday)配置，则在光学选择定则的限制下，需要铁磁金属薄膜的磁化强度方向平行于样品生长方向，这通常要求一个很大的磁场来实现。

另一方面，使样品处于低温的环境也是观测到显著自旋相关效应的必要条件之一：样品中电子的自旋极化，即+1/2和-1/2自旋的电子数目不等，是一种非平衡的状态，总是会趋于向平衡的非极化状态弛豫，而温度的上升则会加速这种弛豫过程，使对自旋极化效应的观测变得困难，甚至无法观测。

现阶段，实验室里获取低温和强磁场的手段，往往是通过液氦循环的样品腔和液氦致冷的超导线圈。然而，液氦的稀缺同时导致了它的昂贵和获取困难，给液氦实验带来了很大的不便。所以，一套简便、经济、不依赖于液氦而且能够提供低温和强磁场环境的系统能够给自旋相关性质的研究带来很大的帮助。

发明内容

本发明的目的在于提供一套易搭建且低成本的、能够提供强磁场和低温样品环境的自旋相关输运测量系统。由于钕铁硼永磁体在提供磁场时无需消耗任何资源，以及液氮容易获取且价格低廉，本系统可以在任何时候以很低的成本进行工作。利用这套系统，可以测量样品在电学驱动下的光学响应，比如自旋分辨的电致荧光，也可以测量样品在光学驱动下的电学响应，比如光生极化载流子的自旋滤波效应。

本发明提供一套强磁场环境和液氮温度下的自旋相关输运测量系统，该系统包括：

一液氮杜瓦，该液氮杜瓦底部一侧有一紫铜冷指，用于放置样品，使样品达到液氮温度，该冷指外部同轴地套有一铝套筒，用于保护冷指所处的真空环境，该套筒顶端开有一石英光学窗口，用于通过激发光和荧光；

一手动五维调节平台，放置液氮杜瓦，用于调节液氮杜瓦的空间位置；

一钕铁硼永磁体，开有一通孔，该钕铁硼永磁体的通孔同轴地套在液氮杜瓦的铝套筒外侧，用于提供测量的强磁场环境；

一电动一维平移台，位于钕铁硼永磁体下方，用于调节钕铁硼永磁体和液氮杜瓦的相对位置；

一手动一维升降台，位于电动一维平移台下方，用于支撑钕铁硼永磁体和电动一维平移台，以及调节钕铁硼永磁体和液氮杜瓦的相对位置；

一超长工作距离物镜，位于液氮杜瓦的光学窗口的正前方，用于聚焦激发光到样品、以及收集并准直样品发出的荧光；

一宽波段偏振非敏感分束棱镜，位于钕铁硼永磁体的通孔的一侧；

一荧光光路，从样品出射，并经过超长工作距离物镜准直到垂直于光学窗口的方向；

一激发光光路，与荧光光路正交于宽波段偏振非敏感分束棱镜。

其中在该荧光光路上依次排列有第一宽波段四分之一波长波片、第一宽波段线偏振片、单色仪和探测器，该荧光光路与宽波段偏振非敏感分束棱镜在同一光路上。

其中在该激发光光路上依次排列有外置激光器、第二宽波段线偏振片和第二宽波段四分之一波长波片。

其中还包括一数字源表，该数字源表与样品通过导线相连接，用于对样品施加驱动电压或电流，以及测量样品的响应。

其中外置激光器为任何激光器，以满足不同实验目的对激发线的不同需求。

本系统提供了强磁场和低温的样品环境，可以测量到显著的自旋相关性质。提供了磁场垂直和平行样品生长方向的两种测量几何，并且可以改变样品处磁场的强度和方向。本系统可用于测量多种材料，尤其是铁磁金属/半导体结构的各种自旋相关输运性质，比如自旋滤波效应、自旋注入等。

附图说明

为进一步说明本发明的内容及特点，以下结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1是强磁场环境和液氮温度下的自旋相关输运测量系统的架构简图。

图2是利用本测量系统在液氮温度下测量的砷化镓量子阱的自旋分辨的电致荧光光谱。

具体实施方式