[发明专利]一种区分Bi2Se3表面态与体态光致逆自旋霍尔电流的方法

权利要求书

1.一种区分Bi2Se3表面态与体态光致逆自旋霍尔电流的方法，其特征在于：在钛酸锶衬底的(111)晶面上生长拓扑绝缘体Bi₂Se₃；而后用高斯分布的圆偏振激光在垂直入射的情况下激发拓扑绝缘体Bi₂Se₃的体态和表面态的光致逆自旋霍尔效应电流，测得当激光光斑位置在两电极a、b连线的垂直平分线上移动时的光致逆自旋霍尔效应电流；最后，通过建立区分拓扑绝缘体Bi₂Se₃表面态与体态光致逆自旋霍尔电流的定量拟合模型，并进行模型拟合，得到体态和表面态的光致逆自旋霍尔电流；

所述建立区分拓扑绝缘体Bi₂Se₃表面态与体态光致逆自旋霍尔电流的定量拟合模型具体方式如下，

由于高斯分布的圆偏振激光在垂直入射产生的激光光斑为高斯激光光斑，所以光场强度呈现高斯分布，光激发产生的载流子也是呈现高斯分布；在激光光斑的径向方向，由于自旋极化载流子浓度的梯度，将会产生沿径向的自旋流，D是自旋扩散系数，N_z是沿z方向自旋的载流子浓度；由于逆自旋霍尔效应，沿径向运动的电子将受到自旋横向力f(r)，从而产生横向的涡旋流；自旋横向力可以表示为

其中，G(r)是光强度的空间分布，表示z方向的单位矢量，γ是与自旋轨道耦合相关的常数，m^*为电子有效质量，τ_s为自旋迟豫时间；因此，

其中，f₀＝m^*γτ_sD；对应二维导体，圆偏振电动力是由圆偏振激光垂直入射的光照引起的，可以表示为q是单位电荷，R是积分路径的半径；涡旋流是有涡旋电场引起的，电场E(R)可以表示为由斯托克斯公式，可以得到：

所以，

两电极a、b两点的电压可以表示为两电极a、b两点测到的电流为：

其中，abo表示沿两电极a、b和激光光斑圆心o的闭合回路，D_abo表示abo三点围成的面积；因此，若设由b到a的方向为正方向，则有

其中，±分别对应激光光斑在两电极a、b左边和右边的情形；当光强较大，激光光斑中心区域的吸收趋于饱和，不存在载流子浓度的梯度，对涡旋电流没有贡献，因此对面积积分的时候应当扣除这部分的面积积分，设饱和区域的半径为r_s；注意到以上公式只有在激光光斑区域是适用的，因为，当大于激光光斑区域时，不成立；因此，要将圆外的电流与跟圆边沿上的电流联系起来；

设f点为ab线段上任意一点，线段of与激光光斑边缘的交点为e，则f点电流I_f和e点电流I_e有如下关系：

其中x₀为激光光斑中心，r₀为激光光斑半径，L_s为电荷扩散长度，A为常数，θ为of与激光光斑中垂线的夹角；因此可得：

当x₀＝0时，I_ab＝0，

当x₀≠0时

其中，

r_s2为体层的饱和吸收半径，θ_c1＝arcos(x₀/r₀),θ_c2＝arcos(x₀/r_s)，“±”中“+”对应x₀>0，“-”对应x₀<0的情况；首先要确定饱和吸收区半径r_s；假设激光光斑的积分总强度为I₀，则光强分布为：

假设表面层饱和吸收光强为总光强的Q₀倍，则令

可以计算出饱和吸收区半径r_s；则在半径为r_s的饱和吸收区，吸收光的强度都一样，吸收达到饱和，此区域表面层吸收的光强为而未吸收部分的光将透过表层被体层吸收；半径大于r_s部分的光强将都被表层吸收，无法到达体层；通过将式(1)和式(2)对测得的光致逆自旋霍尔电流随激光光斑位置的曲线进行拟合，即可得到表面态和体态的逆自旋霍尔效应电流。