專利名稱：一種表面等離子體天線耦合增強(qiáng)的自旋整流器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于自旋電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及ー種基于表面等離子體的自旋整流器件。
背景技術(shù)：
基于金屬鐵磁性物質(zhì)磁阻各向異性的自旋整流效應(yīng)有著巨大的潛在應(yīng)用價值，例如自旋發(fā)動機(jī)(如文獻(xiàn)I)、鐵磁共振探測器(如文獻(xiàn)2)、磁場矢量探測器(如文獻(xiàn)3)和介電常數(shù)測量儀(如文獻(xiàn)4)等等。以上實例都運(yùn)用了自旋整流產(chǎn)生直流光電壓的效應(yīng)，該光電壓的大小正比于磁阻各向異性的大小和微波磁場、電場分量的乘積。由于光電壓的信號較弱(一般為微伏量級)，給探測帶來不便，故增強(qiáng)光電壓會有利于自旋整流效應(yīng)的應(yīng)用。磁阻各向異性由鐵磁物質(zhì)的性質(zhì)決定，因此從增強(qiáng)微波電、磁場入手來增強(qiáng)自旋整流光電壓是方便的。以往常用共面波導(dǎo)來增強(qiáng)微波的場分量，然而由于共面波導(dǎo)的場分布的性質(zhì)，只能利用其增強(qiáng)的磁場分量，而且在實際操作方面也比較麻煩，例如微波需用導(dǎo)線直接導(dǎo)入、阻抗需要匹配等問題。應(yīng)用表面等離子體效應(yīng)，用于電磁場的增強(qiáng)有著深遠(yuǎn)的實際意義。研究者們設(shè)計出許多種新穎的金屬結(jié)構(gòu)，用來在近場區(qū)域增強(qiáng)電磁場的電場或磁場分量，例如bowtie天線(如文獻(xiàn)5)和diabolo天線(如文獻(xiàn)6)。bowtie天線用來增強(qiáng)局域電場分量，而diabolo天線用來增強(qiáng)局域磁場分量。但沒有電磁場分量同時增強(qiáng)的相關(guān)研究。然而在有些實際應(yīng)用中是需要電磁場的同時增強(qiáng)，例如以上描述的利用自旋整流效應(yīng)產(chǎn)生直流光電壓(如文獻(xiàn)7)。為了使電磁場的兩分量在同一金屬結(jié)構(gòu)的同一區(qū)域達(dá)到增強(qiáng)的目的，本發(fā) 明設(shè)計了ー種金屬等離子體結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)的同一區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了電場數(shù)十倍和磁場上百倍的增強(qiáng)效果。此增強(qiáng)的電磁場應(yīng)用于微波自旋整流光電壓，可使光電壓增強(qiáng)數(shù)千倍。參考文獻(xiàn)
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發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供ー種結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、頻率可調(diào)和增強(qiáng)效果好的測量信號增強(qiáng)的自旋整流器件。 本發(fā)明提供的自旋整流器件，首先根據(jù)入射光的頻率，選擇合適的絕緣襯底，進(jìn)而確定金屬結(jié)構(gòu)的各個參數(shù)。利用傳統(tǒng)的加工手段，可以很方便的制備出本發(fā)明所描述的原件。其包括
表面等離子體結(jié)構(gòu)(如圖1(b))，由兩個類似C字形結(jié)構(gòu)108和109背靠背組成的金屬結(jié)構(gòu)102附著在絕緣襯底100上組成，該金屬結(jié)構(gòu)的尺寸為亞波長量級。兩個類似C字形金屬結(jié)構(gòu)108和109背靠背的部分為金屬條103 ;兩個類似C字形金屬結(jié)構(gòu)的4個端部圍成ー個區(qū)域099 ;類似C字形結(jié)構(gòu)108具有端部104和端部105，類似C字形結(jié)構(gòu)109具有端部106和端部107 ；
隔離層111，位于區(qū)域099上方，起到隔離金屬結(jié)構(gòu)102和金屬鐵磁性薄膜112的作用；(隔離層111只起隔離作用，不影響隔離作用的情況下它的大小可以是任意的；如果鐵磁性薄膜112不放在金屬條103上方的話，就用不著隔離層111 了)
金屬鐵磁性薄膜112，設(shè)置于金屬條103中間部位正上方，但不限于此位置(例如還可設(shè)置于類似C字形結(jié)構(gòu)108的端部104和端部105，或者設(shè)置于類似C字形結(jié)構(gòu)109端部106和端部107之間，這情況下可以不用隔離層111。當(dāng)合適頻率的入射光101照到表面等離子體結(jié)構(gòu)上，與其發(fā)生共振，從而在方形區(qū)域099及近鄰的上下兩側(cè)區(qū)域獲得增強(qiáng)的電磁場，在此電磁場和外加恒定磁場H的共同作用下，金屬鐵磁性薄膜112的兩端即得到增強(qiáng)的自旋整流效應(yīng)(包括自旋整流光電壓、光電阻等)。本發(fā)明中，所述的金屬結(jié)構(gòu)102中，兩個類似C字形結(jié)構(gòu)108和109，其C字形可以是多種多樣的，例如圖1所示的直角轉(zhuǎn)彎，再尖角向內(nèi)轉(zhuǎn)彎的形式；可以是圓弧過渡，再向內(nèi)轉(zhuǎn)彎的行式，如圖2中(a)、(b)所示；也可以是類似C字形端部兩兩相連的形式，如圖2中(c)所不;等等。本發(fā)明中，類似C字形結(jié)構(gòu)的兩端形成開口角110最佳為90度，但可以在0 —180度內(nèi)任意選取。本發(fā)明中，所述的金屬結(jié)構(gòu)102是由Au、Ag或Cu等對入射光101吸收很弱的金屬材料構(gòu)成，其厚度一般為100—1000納米。本發(fā)明中，所述的金屬結(jié)構(gòu)102的特征尺寸由入射光101和絕緣襯底100決定。它們大致符合f ^ 103. 2/nL，f為表面等離子體結(jié)構(gòu)的共振頻率單位為GHz，n為絕緣襯底100的折射率，L為金屬結(jié)構(gòu)102的特征長度(以圖1為例，L為金屬結(jié)構(gòu)對角線的長度)單位為_。由于實際結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，上述關(guān)系僅為近似，實際中的結(jié)構(gòu)大小還需要用模擬預(yù)先確定或由實驗測量來確定結(jié)構(gòu)的共振頻率。本發(fā)明中，對入射光101來說，所述的絕緣襯底100是透明的為最佳，但不限于透明絕緣材料。絕緣襯底100的厚度根據(jù)實際需要決定，一般為0. 5 — 5mm。本發(fā)明中，所述的隔離層由絕緣材料構(gòu)成,其厚度由電和磁分量的乘積決定(乘積最大為佳，但可根據(jù)實際情況具體決定)，一般為20—150微米范圍。本發(fā)明中，所述的金屬鐵磁性薄膜，其長度通常要遠(yuǎn)大于寬度，寬度遠(yuǎn)大于厚度，厚度為50納米(一般在30—100納米范圍即可)。而且該薄膜要是導(dǎo)電的，并具有各向異性 磁電阻。該金屬鐵磁性薄膜可以置于圖示位置，也可以置于表面等離子體結(jié)構(gòu)的其他位置(例如端部104和105或106和107之間，這種情況下就沒必要用隔離層111 了)。本發(fā)明中，所述的入射光101為線偏振、圓偏振或橢圓偏振等均可，但以線偏振且偏振方向沿金屬條103為最佳。本發(fā)明的原理如下
入射光垂直或傾斜地照到器件上并與表面等離子體結(jié)構(gòu)發(fā)生共振，在每個C字形金屬結(jié)構(gòu)的開ロ處及鄰近的區(qū)域會得到增強(qiáng)的電場，電場的方向主要是平行于兩C字形結(jié)構(gòu)相交的金屬條。此增強(qiáng)的電場隨著距開ロ處的距離的增大而減小。兩C字形結(jié)構(gòu)里流動的電流被限制到它們相交的金屬條這條通道，從而在兩C字形結(jié)構(gòu)相交的金屬條周圍得到環(huán)繞它的增強(qiáng)的磁場。該磁場隨著距金屬條的距離的增加而減小。顯然，在兩C字形結(jié)構(gòu)的四個末端所圍的區(qū)域及鄰近的上下兩側(cè)區(qū)域有著增強(qiáng)的電場和磁場。此增強(qiáng)的電磁場和外加恒定磁場一起作用在置于其中的金屬鐵磁薄膜上，從而在金屬鐵磁薄膜的兩端得到增強(qiáng)的自旋整流信號。


圖1為本發(fā)明所涉及的結(jié)構(gòu)圖示。其中，(a)為該發(fā)明所涉及的器件的ー種。鐵磁薄膜112和金屬結(jié)構(gòu)102被絕緣隔離層111隔離開，H為外加恒定磁場。當(dāng)入射光101照到金屬結(jié)構(gòu)102上并發(fā)生共振時，通過適當(dāng)調(diào)節(jié)H的大小可在鐵磁薄膜112的兩端得到增強(qiáng)的自旋整流效應(yīng)。(b)為對應(yīng)的表面等離子體結(jié)構(gòu)，金屬結(jié)構(gòu)102附著在絕緣襯底100上。金屬結(jié)構(gòu)102包括兩個背靠背的類似C字形結(jié)構(gòu)108和109，類似C字形結(jié)構(gòu)108和109的相交部分形成金屬條103，金屬條103提供了電流的狹窄通道。類似C字形結(jié)構(gòu)的開口角110為90度。當(dāng)入射光照到金屬結(jié)構(gòu)上并發(fā)生共振吋，在兩個類似C字形結(jié)構(gòu)的四個末端所圍的區(qū)域099及鄰近的上下兩側(cè)區(qū)域產(chǎn)生增強(qiáng)的電場，在金屬條103周圍產(chǎn)生環(huán)繞它的增強(qiáng)的磁場。從而在四個末端所圍的區(qū)域099及鄰近的上下兩側(cè)區(qū)域產(chǎn)生增強(qiáng)的電磁場。圖2列舉了幾種其它的表面等離子體結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)都可以用來制作本發(fā)明所涉及的器件。圖3為ー個平面內(nèi)在共振情況下的電磁場分布。此平面平行于金屬結(jié)構(gòu)102和絕緣襯底100的交界面，而且此兩面之間的距離為60微米，顔色代表與入射光相比的增強(qiáng)倍數(shù)。其中，(a)為該面內(nèi)的電場分布，可看到在中心區(qū)域電場有幾十倍的增強(qiáng)，(b)為該面內(nèi)的磁場分布，可看到在金屬條103附近磁場有上百倍的增強(qiáng)。該數(shù)據(jù)是通過對表面等離子體結(jié)構(gòu)的模擬得到的。圖4為鐵磁薄膜的各向異性磁電阻效應(yīng)。I代表入射光的電場在鐵磁薄膜內(nèi)誘導(dǎo)出的光電流，H為外加的使鐵磁薄膜飽和磁化的恒定磁場，其與電流的夾角為0，飽和磁化強(qiáng)度為M。當(dāng)入射光垂直于H的磁場分量作用到M上時，可使得M繞H進(jìn)動。沿I方向的電阻會隨著9的增大而減小即R=Rc^Rac0s2Q ;也就是說I方向的電阻在M進(jìn)動到位置A時較小，進(jìn)動到位置B時較大。圖5為直流光電壓(PV)的分布。此PV是直接用圖3中的電磁場數(shù)據(jù)計算得到的，顯然在中心區(qū)域可獲得放大數(shù)千倍的光電壓。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖進(jìn)一歩描述本發(fā)明，此實例并不構(gòu)成對本發(fā)明權(quán)利要求的限制。 圖1 (a)是ー種自旋整流器件，具體是在金屬結(jié)構(gòu)102上方的中心區(qū)域放置一 30—100納米厚的鐵磁性金屬薄膜條112，薄膜條112平面平行于金屬結(jié)構(gòu)102所在平面，其長度沿著金屬條103方向。金屬結(jié)構(gòu)102和鐵磁性薄膜條112之間用ー層60微米厚的絕緣隔離層111隔開。沿金屬條103方向偏振的入射波101垂直照射到金屬結(jié)構(gòu)102上并發(fā)生共振，此時在鐵磁性金屬薄膜條112所在區(qū)域產(chǎn)生了增強(qiáng)的電磁場(如圖3所示)，電場主要是沿著金屬條103方向的，磁場主要是在薄膜條112面內(nèi)垂直于金屬條103的。調(diào)節(jié)外加恒定磁場H的大小，使得薄膜條112內(nèi)磁矩的本征進(jìn)動頻率與入射波101的頻率吻合，此時在薄膜條112的兩端就會產(chǎn)生放大數(shù)千倍的直流光電壓(PV)，PV是正比于薄膜條112處電磁場分量的乘積的，即PV Oc eXh。至于為什么用交流的入射波101照射會產(chǎn)生直流的光電壓(PV)呢？直觀上可以這樣理解如圖4，沿薄膜條112方向的電場分量在薄膜條112上誘導(dǎo)的光電流為ItlCOS (CO t),垂直于薄膜條112的磁場分量促使薄膜條112內(nèi)的磁矩M繞恒定外磁場H進(jìn)動。當(dāng)光電流在朝右的方向達(dá)到最大即為Itl吋，M進(jìn)動到B點(diǎn)的位置，此時刻薄膜條112兩端的電壓為V=ItlX [R0+ I^cosYafai)]，當(dāng)光電流在朝左的方向達(dá)到最大即為-し吋，M進(jìn)動到A點(diǎn)的位置，此時刻薄膜條112兩端的電壓為V=-1tlX [R。+ Racos2 ( a 0+ a )]；如此反復(fù)，平均來說薄膜條112兩端可得到一直流的光電壓PV= I0RAsin(2 a sin(2 a 0)。由于 Ia^e 和 a I a h,所以 PV a eXh。
權(quán)利要求
1.一種表面等離子體天線耦合增強(qiáng)的自旋整流器件，其特征在于包括 表面等離子體結(jié)構(gòu)，該表面等離子體結(jié)構(gòu)由兩個類似C字形結(jié)構(gòu)(108和109)背靠背組成的金屬結(jié)構(gòu)(102)附著在絕緣襯底(100)上組成，該金屬結(jié)構(gòu)的尺寸為亞波長量級；兩個類似C字形金屬結(jié)構(gòu)(108和109)背靠背的部分為金屬條(103);兩個類似C字形金屬結(jié)構(gòu)的4個端部圍成一個區(qū)域099 ;類似C字形結(jié)構(gòu)(108)具有端部(104)和端部(105)，類似C字形結(jié)構(gòu)(109)具有端部(106)和端部(107)； 隔離層(111)，該隔離層(111)位于區(qū)域(099)上方，起到隔離金屬結(jié)構(gòu)(102)和金屬鐵磁性薄膜(112)的作用； 金屬鐵磁性薄膜(112),該金屬鐵磁性薄膜(112)設(shè)置于金屬條(103)中間部位正上方，或者設(shè)置于類似C字形結(jié)構(gòu)(108)的端部(104)和端部(105)，或者設(shè)置于類似C字形結(jié)構(gòu)(109)端部(106)和端部(107)之間，后兩者情況下可不用隔離層(111)； 當(dāng)合適頻率的入射光(101)照到表面等離子體結(jié)構(gòu)上，與其發(fā)生共振，從而在方形區(qū)域(099)及近鄰的上下兩側(cè)區(qū)域獲得增強(qiáng)的電磁場，在此電磁場和外加恒定磁場H的共同作用下，金屬鐵磁性薄膜(112)的兩端即得到增強(qiáng)的自旋整流效應(yīng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述自旋整流器件，其特征在于所述類似C字形結(jié)構(gòu)的兩端形成開口角(110)為90度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述自旋整流器件，其特征在于所述的金屬結(jié)構(gòu)(102)是由Au、Ag或Cu金屬材料構(gòu)成，其厚度為100—1000納米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述自旋整流器件，其特征在于所述的金屬鐵磁性薄膜(112)，其長度遠(yuǎn)大于覽度，覽度遠(yuǎn)大于厚度，厚度為30 100納米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述自旋整流器件，其特征在于所述的入射光(101)為線偏振、圓偏振或橢圓偏振。
全文摘要
本發(fā)明屬于自旋電子技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于表面等離子體的自旋整流器件。該自旋整流器件結(jié)構(gòu)包括附在絕緣襯底上的金屬結(jié)構(gòu)，該金屬結(jié)構(gòu)包括兩個背靠背的類似C字形結(jié)構(gòu)組成，背靠背部形成金屬條。兩個類似C字形結(jié)構(gòu)共有4個末端。當(dāng)具有合適頻率的入射光垂直或傾斜于金屬結(jié)構(gòu)所在的平面照射到金屬結(jié)構(gòu)上時，入射光與表面等離子體結(jié)構(gòu)發(fā)生共振，此時在金屬條周圍產(chǎn)生增強(qiáng)的磁場，在4個末端所圍的區(qū)域及鄰近的上下兩側(cè)產(chǎn)生增強(qiáng)的電場。增強(qiáng)的電場主要是平行于金屬條的；增強(qiáng)的磁場是環(huán)繞金屬條的，而且離金屬條越近磁場越強(qiáng)。因此在4個末端所圍的區(qū)域及鄰近的上下兩側(cè)，可以得到增強(qiáng)的電場和磁場。此增強(qiáng)的電磁場和外加恒定磁場H的共同作用下，在磁性薄膜(112)上得到增強(qiáng)的自旋整流效應(yīng)。
文檔編號H01L43/08GK103022343SQ201210487938
公開日2013年4月3日 申請日期2012年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月27日
發(fā)明者安正華, 席付春, 周磊 申請人:復(fù)旦大學(xué)