[发明专利]一种无源低功耗的微波检测方法及其装置和制备方法

说明书

本发明公开了一种无源低功耗的微波检测方法及其装置和制备方法，制备反铁磁拓扑绝缘体层，在微波能量下，反铁磁拓扑绝缘体层中自旋发生进动产生自旋流，由于拓扑表面态自旋动量锁定的特征，自旋流会在表面上自发产生定向的电荷流。通过电极检测该电荷流，实现微波的无源低功耗探测。由于多层的反铁磁拓扑绝缘体层可视为由反铁磁层和拓扑绝缘体层的双层结构的周期性堆垛而成，因此微波检测灵敏度成倍地增加。拓扑表面态表现出强鲁棒性和低耗散的电流传输特性，降低了微波检测的功耗。本发明既充分利用了拓扑表面态表现出强鲁棒性以及独一无二的电学传输特性，又利用了反铁磁层的微波共振，使得这种结构能实现无源的更低功耗的微波检测。

技术领域

本发明属于自旋电子器件技术领域，特别涉及一种无源低功耗的微波检测方法及其装置和制备方法。

背景技术

自旋电子学不仅利用了电子电荷的相关知识，还利用了电子自旋的一些理论。自旋电子学的优势包括低功耗、更少的能源需求、具有较强竞争力的数据传输能力和较大的存储容量。它已被用于各种信息处理设备、存储器和内存设备—尤其是应用在超高密度硬盘驱动器和非易失性存储器。

早在1940年，人们就意识到了自旋共振的存在。在外磁场上，磁矩会发生进动，就像陀螺一样。这种自旋共振从量子的角度理解，就是在磁场作用下，自旋发生赛曼劈裂，不同的自旋方向，能量不同，对于铁磁体，这个能量的差异正好在微波频段。因此，当微波频率正好与这个能量的差异相同，就会发生共振吸收，从而微波被探测到。

最直接的微波探测方案就是测量一般磁性金属吸收微波后的电阻变化。其基本工作原理是：磁矩在微波交流磁场作用下进动，导致电阻交流变化，它与微波电流发生耦合，由于电流和电阻的频率一样，两者相乘之后就可以得到一个直流电压信号，从而把微波信号转化为直流信号而被检测。这种器件非常简单，而且具有可扩展性，很容易优化。这种最简单结构很明显的缺点就是磁电阻很小。我们知道一般磁性金属的磁电阻经常只有百分之几，灵敏度低。

更大磁电阻的体系这种器件采用三种材料，两个磁性层，一层磁矩是固定的，另外一层磁矩是自由。这种三层膜结构的特点是电阻大小和两层铁磁体磁矩的相对夹角相关。由于这个体系的磁电阻很大，室温下磁电阻可以达到300％，比磁性金属的磁电阻大1万倍，因此检测的效率就可能大大增强。但这里主要采用铁磁金属系统，所以系统的功耗很高。

因此，基于铁磁金属的现有的微波检测方法需要进一步的改进。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供一种无源低功耗的微波检测方法及其装置和制备方法。该装置反铁磁拓扑绝缘体层或反铁磁层和拓扑绝缘体层的双层结构，既充分利用了拓扑表面态表现出强鲁棒性以及独一无二的电学传输特性，又利用了反铁磁层的微波共振，使得该结构能实现无源的更低功耗的微波检测。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种无源低功耗的微波检测方法，利用反铁磁拓扑绝缘体层表面态的自旋动量锁定，由微波能量在反铁磁拓扑绝缘体层中产生的自旋流，被转换为电流，从而实现微波信号的无源检测；或利用反铁磁层在微波能量下产生自旋流，拓扑绝缘体层的拓扑表面态将自旋流自发转化为定向电荷流，通过电极检测表面态中的定向电荷流，实现无源低功耗的微波检测。

一种无源低功耗的微波检测装置，包括至少一层反铁磁拓扑绝缘体层和分为两块设置在位于最上层的反铁磁拓扑绝缘体层上的电极层，或包括至少一组自下至上依次堆叠设置的反铁磁层和拓扑绝缘体层的双层结构，以及两块设置在位于最上层的拓扑绝缘体层上的电极层。

优选地，所述反铁磁拓扑绝缘体层为反铁磁拓扑绝缘体材料的薄膜、纳米片或纳米线，反铁磁拓扑绝缘体层通过脉冲激光沉积、分子束外延、机械转移或化学气相沉积的方法制备。

优选地，所述反铁磁层为反铁磁材料的薄膜、纳米片或纳米线，反铁磁层通过脉冲激光沉积、分子束外延、机械转移或化学气相沉积的方法制备。