一种基于超材料的自旋电子学器件的制作方法
【专利摘要】本发明属于自旋电子技术领域，具体为一种基于超材料的自旋电子学器件。本发明自旋电子学器件是由磁性金属材料和非磁性金属材料组合而成的复合超材料体系，其上层为两个类似开口谐振环结构背靠背组成的金属结构，该金属结构单元周期性的附在绝缘衬底上，其尺寸是亚波长量级，下层为周期性金属长条以及宽度渐变的长条，在金属长条最窄处有磁性金属薄膜。非磁性金属材料的结构共振可以将电磁波最大效率地集中在结构内部，即完美吸收模式；同时，利用铁磁材料中电子自旋进动与电荷电流的非线性耦合产生的自旋整流效应，吸收电磁波从而产生直流电压信号。因此将磁性金属材料置于体系中电磁场以及电流最强的位置，吸收因结构共振产生的电磁波，产生可以利用的直流电压。
【专利说明】
一种基于超材料的自旋电子学器件
技术领域
[0001]本发明属于自旋电子技术领域，具体涉及一种基于超材料的自旋电子学器件。
【背景技术】
[0002]超材料[1]是以人工设计谐振结构为基本单元(meta-atom)、按类晶格方式排列， 形成天然材料所不具备的超常物理性质的电磁特异材料，比如完美吸收[2]、负折射、隐身、 人工磁响应[3]、电磁诱导透明（EIT)、ENZ(epsilon-near_zero)材料等。超材料对于电磁场 有着强大的调控能力，但是对于吸收或者放大的电磁场，最后基本上是以热量的形式耗散 掉了，虽然实现了完美吸收，但是并没有有效地利用所收集到的电磁波的能量。
[0003] 我们知道，电子除了具有电荷的性质之外，还有另一个自由度：自旋，电子的由于 自旋量子态可以作为量子信息处理的基本逻辑单元，自旋电子学成为未来量子信息时代的 核心竞争技术之一[4]。自旋整流效应作为自旋电子学很重要的分支，依托电测量方法高精 度地探测磁性材料的磁化强度动力学，很好地表征铁磁共振时磁化强度的动态特征。在过 去二十年里，自旋整流方法被广泛应用于磁化强度动力学的研究，包括铁磁共振、自旋波激 发、微波成像[5]，等。自旋整流效应为开发电子自旋作为信息载体的新型自旋电子器件开 阔了道路。但是，目前的自旋整流器件主要集中于低频或近直流范围，高频(GHz)以上的研 究明显滞后，而高频范围一般只是通过共面波导[6]的有线传输方式，然而，共面波导其固 有的电磁场分布模式，以及需要匹配阻抗等问题，这对于自旋电子学器件的高频化、集成化 以及无线化带来了很大的阻碍。
[0004] 因此，本发明设计了一种基于超材料的自旋电子学器件，可以将被调至的电磁场 有效地与磁性材料的自旋相互作用，这样使得超材料吸收调制的电磁波可以通过自旋整流 效应用来产生有用的直流电压。铁磁性材料作为共振体的一部分，可以更有效的利用共振 产生的电流，产生增强的直流电压信号。
[0005] 参考文献
[1] . Nikolay I. Zheludev and Yuri S. Kivshar, Nat. Materials 11 (11), 917-924 (2012).
[2] .N. I. Landy et al., Phys. Rev. Lett. 100, 207402 (2008).
[3] .N. Meinzer, ff. L. Barnes and I. R. Hooper, Nat. Photonics 8 (12), 889-898 (2014).
[4] .D. Awschalom, et al, Nature Physics, 3,153 (2007)
[5] .Y. S. Gui, N. Mecking and X. Zhou et al., Phys . Rev . Lett. 98 (10760210) (2007).
[6] .N. Mecking, Y. S. Gui and C. M. Hu, Phys. Rev. B 76 (22) (2007).〇
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种深亚波长、结构简单、共振频率可调以及吸收电磁波 能力强的自旋电子学器件。
[0007]本发明提供的自旋电子学器件，通过模拟软件CST设计相关的结构参数，确定共振 频率。通过传统的微纳加工技术:包括匀胶、光刻、电子束蒸发镀膜、lift-off等工艺，制备 所需的器件。具体组成部分如下： 复合超材料结构，包括上、下两层，上层为两个类似开口谐振环结构101和102,背靠背 组成的金属结构SRRslOO,该金属结构单元周期性的附在绝缘衬底110上，其尺寸是亚波长 量级；下层为周期性金属长条120以及宽度渐变的长条122,在金属长条最窄处有磁性金属 薄膜121; 电极123,用于测量磁性金属薄膜121的自旋整流光电压信号，由锁相放大器测量； 当合适频率的入射光〇〇〇照到本发明所述自旋电子学器件，与其发生共振，复合超材料 结构的共振是由于上层SRRs结构与下层的金属条里面的电子共同集体震荡导致，所以下层 金属条中会产生较强的电流，上层SRRs的共振则会产生较大的磁场，因此，金属铁磁性薄膜 121会有着强电流和强磁场，在此电磁场和外加恒定磁场Η的共同作用下，其两端即得到增 强的自旋整流效应。在共振过程中，铁磁材料不断消耗复合超材料俘获的电磁波，有效地将 微波转换成了直流电压。
[0008]本发明中，所述磁性金属薄膜121位于上层金属结构SRRslOO的中间重叠区域103 正下方。
[0009]本发明中，所述的金属结构SRRslOO以及金属长条120是由Au、Ag或Cu金属材料构 成，其厚度一般为100-1000纳米。
[0010] 本发明中，所述的金属铁磁性薄膜121，其长度远大于宽度，宽度远大于厚度，但尺 寸设计要满足复合超材料共振要求。
[0011] 本发明中，复合超材料结构的上层为周期性排列的类似背靠背开口谐振环的金属 薄膜，该结构的尺寸为毫米量级，处于深亚波长尺寸。应该注意的是，图1示意图展示了 1*2 个SRRs，实际上为SRRs阵列，例如100*100个SRRs阵列。此结构作为器件的最上层，在结构共 振的时刻可以收集电磁场能量。
[0012] 本发明中，复合超材料结构的下层也是周期性排列的金属条，具体包含三部分:第 一部分是金属长条(一般为Au或Cu等），其宽度一般比SRRs结构的边长要窄；第二部分则是 宽度渐变的金属长条，在SRRs正下方的地方宽度最小，尺寸和中间的铁磁材料相同或接近， 目的是将结构共振产生的电流汇聚到中间，使电流最大程度的从铁磁材料中经过;第三部 分是处于宽度渐变的金属长条中间的金属铁磁薄膜，铁磁薄膜的尺寸要求是长度远大于宽 度，宽度远大于厚度，目的是保证可以得到较好的自旋整流光电压信号，但同时尺寸的设计 也要满足器件可以保持共振的基本条件。
[0013] 本发明中，所述上层金属结构（100)，类似背靠背开口谐振环结构不仅仅局限于图 1所示，还可以是在开口处有类似平行板电容器样式，或者开口向里面凹样式以及圆弧形状 的开口谐振环（图4)等。
[0014] 本发明中，所述器件上层SRRs金属结构100的特征尺寸由入射光000和复合超材料 器件的微腔介质（中间介质）11〇所决定的，一般满足f=l〇3/n*L，f是整个器件的特征共振频 率，η是介质的折射率，L是上层金属结构100的边长(单位mm)。但由于实际情况比较复杂，所 以其尺寸主要还是由理论模拟和实验结果共同确定。
[0015] 本发明中，所述器件微腔介质110要求对微波透明最好，即对微波的吸收很弱，以 便可以将能量尽可能的由铁磁材料所吸收，一般但不局限为玻璃，也可以是硅、砷化镓等介 质。
[0016] 本发明中，所述器件中下层金属条的作用是作为共振体的一部分，其宽度在SRRs 下方逐渐变窄122,目的是为了使共振电流通过铁磁材料，减小由于金属条过宽引起的电容 效应，避免产生位移电流。其宽度变化的斜率不固定，最好是渐变的。
[0017] 本发明中，所述器件中铁磁薄膜121的具体参数一方面要保证其在整个结构共振 中起到使共振顺利进行的作用，同时另一方面也要满足其自旋整流的基本条件。
[0018] 本发明中，所述入射波000是线偏振波，其电场偏振方向沿着下层金属长条的方 向。
[0019] 本发明原理:入射光垂直或倾斜地照到器件上并与复合超材料的结构发生共振， 在每个周期性排列的类似SRRs结构上，由于电子的集体震荡，在共振处SRR的中间条处会产 生极强的电流，从而会得到环绕中间条的磁场。同时，下层的金属条也参与了共振，在其长 条方向也会产生极强的电流，通过渐变的金属条，电流会经过铁磁薄膜。因此铁磁薄膜会感 受到增强的磁场以及电流，在外加恒定磁场的作用下，从而在金属铁磁薄膜两端得到增强 的自旋整流光电压信号。
【附图说明】
[0020] 图1为本发明所涉及的基于超材料的自旋电子学器件示意图及微波入射示意图。 [0021 ]图2为器件结构中磁性材料自旋整流效应原理图。
[0022] 图3为模拟情况下器件吸收率随频率的变化，以及在共振频率处结构中光电压信 号的分布情况，可见在铁磁材料处能得到很强的信号，说明能量大部分传递到铁磁材料之 中。
[0023] 图4为器件结构上层结构除了本发明涉及到的结构之外可能的结构。
[0024] 图5为器件所测的自旋整流光电压信号与只有铁磁材料的光电压信号对比图。 [0025]图中标号：000为入射电磁波，100为上层类似背靠背开口谐振环结构，101、102为 两个开口谐振环结构，103为背靠背开口谐振环相交的长条部分，104为开口谐振环的开口 处，110为微腔介质，120为下层宽度不变的金属长条，122为宽度渐变的金属长条，121为下 层金属铁磁材料长条，123为测量电压的电极，130为衬底。
【具体实施方式】
[0026] 下面结合附图和实施例，进一步描述本发明，此实施例并不构成对本发明权利要 求的限制。
[0027] 图1为本发明的基于超材料的自旋整流器件，具体为三层结构：上层结构100为周 期性排列的类似背靠背开口谐振环SRRslOl和102组成，在共振时SRRs的中间条103会产生 极强电流，这就为金属铁磁材料提供了极强的磁场；中间则是由介质110组成，主要用于作 为上层结构的衬底和上下层之间的隔绝，以及共振体的微腔;下层则是金属长条120和金属 磁性材料121复合组成，金属长条的宽度逐渐变窄122,在上层SRRs结构100正下方处最窄， 最窄的区域则是由磁性材料121连接，目的是复合结构发生共振时，下层结构也会产生极强 的电流，为了能够使电流最大的经过铁磁材料以及避免产生位移电流，所以金属长条做成 宽度渐变的结构。下层结构制备在衬底130上。
[0028] 图2为金属铁磁性材料121产生自旋整流光电压信号的原理图，因为自旋整流效应 是一种非常经典的铁磁材料的性质，这里就简单介绍一下其基本原理，就是在微波照射以 及恒定外磁场下，铁磁材料中的电流与微波电场的非线性耦合，从而在磁性材料的纵向产 生直流电压。具体的公式为：
可以看到，自旋整流光电压信号是与经过材料中的电流j以及所感受到的微波的磁场 的乘积成正比的，所以我们的复合超材料结构中，上层的SRR共振结构为铁磁性材料提供极 强的磁场，而下层结构中的金属长条宽度渐变的设计，则是为铁磁性材料提供了极强的共 振电流。因此，在本发明中，随着复合超材料结构的共振，金属铁磁材料不断的吸收由结构 收集的能量，并将其转化成直流电压信号。
[0029] 图3是通过模拟计算得到的结果，从图上可以看到，通过对结构参数的优化设计， 我们能够在复合超材料结构的共振频率10GHz处得到很大的吸收率。同时，因为经过金属铁 磁材料的电流是正比于其附近(几微米以内）的电场大小，即j 〇c e，所以铁磁材料光电压
t插图中xz平面以及yz平面上可以看到，在金属铁磁材料处，能够得到 最强的光电压信号。
[0030] 图4展示了除了本发明中涉及到的上层共振结构（背靠背的开口谐振环结构）之 外，还可以利用的其他结构，包括:在开口处有类似平行板电容器样式，或者开口向里面凹 样式以及圆弧形状的开口谐振环等。
[0031] 图5则是试验上测得的实际自旋整流光电压信号，可以看到，在共振频率8.4GHz处 我们得到了将近4.5uV的光电压信号，实验上的共振频率与理论模拟上的共振频率有差异 的原因是实验上不可控的因素较多，而且电极的存在也会干扰电磁波的模式。我们对比了 有本发明涉及的结构下自旋整流光电压信号与只有金属铁磁材料下所测的光电压信号，从 图中很明显的看出，在共振频率8.4GHz处，我们得到了23倍的信号增强。
【主权项】
1. 一种基于超材料的自旋电子学器件，其特征在于，包括： 复合超材料结构，包括上、下两层，上层为两个类似开口谐振环结构（101和102)背靠背 组成的金属结构SRRs(IOO)，该金属结构单元周期性的附在绝缘衬底（110)上，其尺寸是亚 波长量级；下层为周期性金属长条（120)以及宽度渐变的长条（122)，在金属长条最窄处有 磁性金属薄膜(121); 电极(123)，用于测量磁性金属薄膜(121)的自旋整流光电压信号，由锁相放大器测量； 当合适频率的入射光(〇〇〇)照到所述自旋电子学器件，与其发生共振，该共振由复合超 材料结构中上层金属结构SRRs(IOO)与下层的金属条里面的电子共同集体震荡所导致，所 以下层金属条中会产生较强的电流，上层金属结构SRRs的共振则会产生较大的磁场，因此， 金属铁磁性薄膜（121)会有强电流和强磁场，在此电磁场和外加恒定磁场H的共同作用下， 其两端即得到增强的自旋整流效应;在共振过程中，铁磁材料不断消耗复合超材料俘获的 电磁波，有效地将微波转换成了直流电压。2. 根据权利要求1所述自旋电子学器件，其特征在于所述磁性金属薄膜（121)处于上层 金属结构SRRs(IOO)的中间重叠区域(103)正下方。3. 根据权利要求1所述自旋电子学器件，其特征在于所述的金属结构SRRs(IOO)以及金 属长条(120)的材料为Au、Ag或Cu，其厚度为100-1000纳米。4. 根据权利要求1所述自旋电子学器件，其特征在于所述的金属铁磁性薄膜（121)，其 长度远大于宽度，宽度远大于厚度，但尺寸设计要满足复合超材料共振要求。5. 根据权利要求1所述自旋电子学器件，其特征在于所述上层金属结构（100)为类似开 口谐振环结构，或者为其他可以达到类似效果的共振结构。
【文档编号】H01L29/66GK105895675SQ201610401143
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年6月8日
【发明人】安正华, 勾鹏
【申请人】复旦大学