[发明专利]测量拓扑绝缘体Bi2Te3中拉莫进动引起的磁致光电流的方法

权利要求书

1.一种测量拓扑绝缘体 Bi₂Te₃ 中拉莫进动引起的磁致光电流的方法，其特征在于，三维拓扑绝缘体Bi₂Te₃生长于Si衬底上；三维拓扑绝缘体Bi₂Te₃用分子束外延设备生长，所述方法包括如下步骤：

步骤S1、获取三维拓扑绝缘体Bi₂Te₃样品，并在三维拓扑绝缘体Bi₂Te₃样品上用磁控溅射生长10nm的钛电极，用电子束蒸发镀100nm的金电极，电极是边长0.5mm的正方形电极，电极间距约为2.5mm；

步骤S2、用1064nm的激光作为激发光源，让激光通过斩波器、起偏器、四分之一波片，垂直照射在三维拓扑绝缘体Bi₂Te₃样品上两电极连线中点的位置；光斑直径小于两电极间距；

步骤S3、将三维拓扑绝缘体Bi₂Te₃样品放置在永磁铁的N极和S极之间，电极连线沿x方向，磁场平行于样品平面且沿x方向；通过转动永磁铁来改变沿x方向的磁场大小；设磁场与y方向的夹角为θ；在每一个θ角上从0度到360度转动四分之一波片，以5度为一个步长，将每一个四分之一波片角度下的光电流通过电流放大器进行放大，并通过锁相放大器放大后进入数据卡进行采集；

步骤S4、转动永磁铁，从而改变磁场与y方向的夹角θ的大小，此时，样品平面内沿x方向和y方向的磁场B_x和B_y可表示为：

B_x＝B×sinθ,B_y＝B×cosθ (1)

步骤S5、将每一个磁场转动角下的光电流用磁致光电流的公式进行拟合提取出圆偏振磁致光电流J_C，即采用如下的公式(2)进行拟合：

其中，J_C表示单位光功率和沿x方向的单位磁场强度引起的圆偏振磁致光电流，I为光强，φ为四分之一波长的转角，j₀是由热电效应和光伏效应引起的背景光电流，J_LMPGE1和J_LMPGE2是由线偏振光激发引起的磁致光电流；

步骤S6、由拉莫进动引起的y方向的自旋极化为：

其中，

ω_L为拉莫进动的频率，S_0z是垂直入射圆偏振光引起电子的自旋极化方向，g是电子自旋磁矩和自旋角动量之比，μ_B为波尔磁子，为约化普朗克常数；τ_S、τ_S⊥、τ_S∥分别是三维拓扑绝缘体Bi₂Te₃自旋极化载流子的总自旋弛豫时间、横向自旋弛豫时间、纵向自旋弛豫时间；由公式(3)和(4)可以得到磁场作用下面内自旋极化与面内磁场的直接关系：

即其中，b＝gμ_Bτ_S⊥S_0z，S_y是由拉莫进动引起的y方向自旋极化；若测得的圆偏振磁致光电流J_C是由拉莫进动 引起的，那么必然满足如下关系式：

其中，m和n为拟合常数；

步骤S7、将步骤S5中通过用公式(2)拟合实验数据提取出圆偏振磁致光电流J_C作为纵坐标，x方向的磁场B_x为横坐标，作图；用公式(6)对数据进行拟合，若拟合的决定系数R²大于0.75，则拟合较好，表明所测得的圆偏振磁致光电流J_C为拉莫进动引起；

步骤S8、运用同样的实验设置及测试手段对Si衬底进行光电流测试，将得到的数据用符合Si的C_2v点群对称性的磁致光电流公式进行拟合，获得Si衬底的圆偏振磁致光电流；将Si衬底的圆偏振磁致光电流的数据与拓扑绝缘体Bi₂Te₃中测得圆偏振磁致光电流进行比较，若前者比后者大5倍以上，则表明测得的圆偏振磁致光电流是由三维拓扑绝缘体产生的，而不是由Si衬底产生的。