一种光泵浦反铁磁自旋电子太赫兹发射器及其制备方法与流程

1.本发明涉及高频电子设备技术领域，特别涉及一种光泵浦反铁磁自旋电子太赫兹发射器及其制备方法。


背景技术：

2.在现代移动通信中，目前商用的微波源振荡器主要有压控lc振荡器和晶体振荡器等。商用压控lc振荡器的电路设计灵活，成本较低，易做到正弦波输出和可调频率输出，但是这种振荡器的体积大（微米量级），频率较低（如gps：1.6ghz；gsm：850mhz；wcdma：2ghz），且频率调节范围小（《20%）。另一种常用的石英晶体振荡器虽然输出频率精度较高，但频率单一不能调节。
3.目前，也有人提出了基于自旋转矩效应的自旋微波和太赫兹波振荡器，其基本结构是由“铁磁薄膜（fm1）/非磁性薄膜（nm）/铁磁薄膜（fm2）”构成的三明治结构，被fm1层自旋极化的电子穿过nm层，可以对磁性薄膜fm2内的磁矩产生一个力矩的作用；或者由“反铁磁薄膜（afm）/非磁重金属薄膜（hm）”构成的异质结，利用电流实现自旋极化电流激发磁矩高频振荡，往往需要较高的电流密度，不仅能耗高，同时产生的热噪声影响输出微波信号质量。随着移动通信和卫星通信的迅速发展，对高频电磁波振荡器件的小型化、集成化、低功耗和高频可调的要求越来越迫切，而现有的自旋微波和太赫兹波振荡器均需要施加外磁场，这不利于器件的集成化和小型化，亟需发展无外磁场的太赫兹波发射器。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于：为了解决上述技术问题，本发明提供一种光泵浦反铁磁自旋电子太赫兹发射器及其制备方法。
5.本发明第一个目的是提供一种光泵浦反铁磁自旋电子太赫兹发射器，采用的技术方案如下：一种光泵浦反铁磁自旋电子太赫兹发射器，所述反铁磁自旋电子太赫兹发射器为具有dmi的[非共线反铁磁/非磁性重金属]n多层膜结构，所述n≥2，所述n表示为周期个数，所述多层膜结构生长于基片表面上，所述基片表面上生长得到非共线反铁磁薄膜层，在所述非共线反铁磁薄膜层之上生长得到非磁性重金属薄膜层，所述非磁性重金属薄膜层生长在非共线反铁磁薄膜层之上产生界面dmi等效场hd，所述非共线反铁磁薄膜层的材料非共线反铁磁为具有倾斜的非共线磁矩的反铁磁材料，所述多层膜结构在直流电流作用下产生太赫兹波振荡，所述太赫兹波输出功率随着直流电流密度增大而线性提高。
[0006]
优选地，所述[非共线反铁磁/非磁性重金属]n，n为1时为一个周期，在所述第一周期基础上进行再生长至少1个周期的[非共线反铁磁/非磁性重金属]，即得到所述[非共线反铁磁/非磁性重金属]n多层膜结构，所述n≥2。
[0007]
优选地，所述非共线磁矩的反铁磁材料为femn、tbptsn、mn3pt、mn3ga、mn3sn或非共线反铁磁氧化物中任一种。
[0008]
优选地，所述非共线反铁磁薄膜层的厚度为1nm~20nm。
[0009]
优选地，所述非磁性重金属材料为pt、ta、w或bi2te3中任一种。
[0010]
优选地，所述非磁性重金属薄膜层的厚度为1nm~15nm。
[0011]
本发明第二个目的是提供一种光泵浦反铁磁自旋电子太赫兹发射器的制备方法，采用的技术方案如下：一种光泵浦反铁磁自旋电子太赫兹发射器的制备方法，包括以下步骤：1）采用薄膜沉积工艺在透光的基片上生长非共线反铁磁薄膜层；2）在步骤1）得到的非共线反铁磁薄膜层上生长非磁性重金属薄膜，制得非共线反铁磁/非磁性重金属异质结构；3）采用步骤2）相同的薄膜沉积工艺，在步骤2）得到的异质结构上生长n个周期的非共线反铁磁/非磁性重金属异质结构，获得[非共线反铁磁/非磁性重金属]n多层膜结构，即为反铁磁自旋电子太赫兹发射器。
[0012]
优选地，所述基片为蓝宝石单晶基片或石英基片。
[0013]
优选地，在所述基片完成第一个周期的生长后，在第一个周期基础上的膜层表面依次生长非共线反铁磁和非磁性重金属即完成下一个周期的生长，每次增加的周期都是在上一周期的膜层表面上进行生长。
[0014]
优选地，所述基片为蓝宝石单晶基片或石英基片。
[0015]
本发明具有以下有益效果：1、本发明提供的一种光泵浦反铁磁自旋电子太赫兹发射器及其制备方法，在飞秒脉冲激光泵浦[非共线反铁磁/非磁性重金属]n多层膜，通过dzyaloshinskii-moriya耦合（dmi）相互作用实现反铁磁磁矩的无外磁场高频进动，通过自旋轨道耦合产生泵浦自旋流注入非磁性重金属层薄膜，由非磁性重金属中的逆自旋霍尔效应将自旋流转化为电荷流，进而对外辐射太赫兹波信号。
[0016]
2、本发明一种光泵浦反铁磁自旋电子太赫兹发射器及其制备方法，通过调节非共线反铁磁材料和非磁性金属材料的种类、厚度实现不同功率的太赫兹波输出，该光泵浦反铁磁自旋电子太赫兹波发射器具有频谱范围宽、结构简单、不需要施加任何外磁场、易与cmos等器件集成和小型化，制备一个反铁磁自旋电子太赫兹发射器包括基片、非共线反铁磁和非磁性重金属，材料种类需要少，极大减少企业经济支出。还可以通过设置[非共线反铁磁/非磁性重金属]n多层膜结构的周期数以及飞秒脉冲激光功率等因素控制太赫兹发射功率。
[0017]
3、本发明一种光泵浦反铁磁自旋电子太赫兹发射器及其制备方法中，[非共线反铁磁/非磁性重金属]n多层膜结构在不同直流电流密度作用下，产生太赫兹波振荡，得到太赫兹波信号，多膜结构输出太赫兹波信号通过整理计算得到功率谱密度，太赫兹波信号输出功率随着直流电流密度增大而线性提高，因此太赫兹波信号输出功率是可控的。当需求不同的太赫兹波输出功率，进行相应的调整即可。
附图说明
[0018]
图1是本发明实施例1结构示意图；图2是本发明提供的光泵浦反铁磁自旋电子太赫兹发射器的结构示意图；
图3是本发明提供的光泵浦反铁磁自旋电子太赫兹发射器的太赫兹辐射时域谱线；附图标记：100-基片；101-一个周期；102-三个周期；1-非共线反铁磁薄膜层；2-非磁性重金属薄膜层。
具体实施方式
[0019]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0020]
实施例1一种光泵浦反铁磁自旋电子太赫兹发射器，以厚度为10nm的femn作为非共线反铁磁薄膜层，以厚度为5nm的pt金属薄膜作为非磁性重金属薄膜层，构成[femn(10nm)/pt(5nm)]3多层膜结构（如图1所示），在不同直流电流密度下，[femn(10nm)/pt(5nm)]3输出太赫兹波信号的功率谱密度，其中在10ma电流密度下产生的太赫兹波振荡频率为0.7thz（如图3所示），太赫兹波信号的功率谱密度为0.28fw/mhz；太赫兹波信号输出功率随着直流电流密度增大而线性提高，所述反铁磁自旋电子太赫兹发射器的发射方式是采用飞秒脉冲激光泵浦透过[非共线反铁磁/非磁性重金属]n多层膜产生太赫兹波（如图2所示），不需要施加外磁场；太赫兹发射频谱范围由非共线反铁磁材料决定。
[0021]
一种光泵浦反铁磁自旋电子太赫兹发射器的制备方法，包括以下步骤：1）在透光的蓝宝石（al2o3）单晶基片上生长厚度为10nm的femn，femn作为非共线反铁磁薄膜层；2）在步骤1）得到的非共线反铁磁femn薄膜层上生长厚度为5nm的非磁性重金属pt薄膜：在10-5
pa量级的真空环境下，以16sccm的氩气流量通入真空室，待气压稳定后，背底真空度为0.4pa；在0.4pa的气压环境下，打开磁控溅射电源，以30w的直流功率进行重金属pt靶材的溅射；打开pt靶材的挡板，匀速旋转长有femn薄膜的基片，到达设定的生长时间后，关闭溅射电源和重金属靶材的挡板，制得femn(10nm)/pt(5nm)异质结构；3）采用与步骤2）相同的薄膜沉积工艺，在步骤2）得到的femn(10nm)/pt(5nm) 异质结构上生长2个周期的femn(10nm)/pt(5nm)异质结构，具体的生长过程为femn生长在步骤2）femn(10nm)/pt(5nm) 异质结构膜层表面上，femn的生长厚度同为10nm，pt生长在上一步的femn膜层表面上，pt的生长厚度同为5nm，此时获得2个周期的异质结构，在根据上述生长femn和pt的方式，再进行一次femn和pt的生长即获得[femn(10nm)/pt(5nm)]3多层膜结构（如图1所示），所述多层膜结构即为反铁磁自旋电子太赫兹发射器。
[0022]
实施例2一种光泵浦反铁磁自旋电子太赫兹发射器，以厚度为10nm的mn3sn薄膜作为非共线反铁磁薄膜层，以厚度为5nm的w金属薄膜作为非磁性重金属薄膜层，构成[mn3sn(10nm)/w(5nm)]3多层膜结构的自旋电子太赫兹发射器；一种光泵浦反铁磁自旋电子太赫兹发射器的制备方法，包括以下步骤：1）在透光的石英基片上生长厚度为10nm的mn3sn，mn3sn作为非共线反铁磁薄膜层；2）在步骤1）得到的非共线反铁磁mn3sn薄膜层上生长厚度为5nm的非磁性重金属w
薄膜：在10-5
pa量级的真空环境下，以16sccm的氩气流量通入真空室，待气压稳定后，背底真空度为0.4pa；在0.4pa的气压环境下，打开磁控溅射电源，以30w的直流功率进行重金属 w靶材的溅射；打开w靶材的挡板，匀速旋转长有mn3sn薄膜的基片，到达设定的生长时间后，关闭溅射电源和重金属靶材的挡板，制得mn3sn(10nm)/w(5nm)异质结构；3）采用与步骤2）相同的薄膜沉积工艺，在步骤2）得到的mn3sn(10nm)/w(5nm) 异质结构上生长2个周期的mn3sn(10nm)/w(5nm)异质结构，与实施例1所述步骤3）相同的多次周期生长顺序，在本实施例第一周期膜层的基础上再进行2个周期的膜层生长，获得[mn3sn(10nm)/w(5nm)]3多层膜结构，所述多层膜结构即为反铁磁自旋电子太赫兹发射器。
[0023]
实施例3一种光泵浦反铁磁自旋电子太赫兹发射器，以厚度为10nm的mn3sn薄膜作为非共线反铁磁薄膜层，以厚度为10nm的bi2se3薄膜作为非磁性重金属薄膜层，构成[mn3sn(10nm)/bi2se3(10nm)]3多层膜结构的自旋电子太赫兹发射器；一种光泵浦反铁磁自旋电子太赫兹发射器的制备方法，包括以下步骤：1）在透光的石英基片上生长厚度为10nm的mn3sn，bi2se3作为非共线反铁磁薄膜层；2）在步骤1）得到的非共线反铁磁mn3sn薄膜层上生长厚度为10nm的非磁性bi2se3薄膜：在10-5
pa量级的真空环境下，以16sccm的氩气流量通入真空室，待气压稳定后，背底真空度为0.4pa；在0.4pa的气压环境下，打开磁控溅射电源，以30w的直流功率进行重金属bi2se3靶材的溅射；打开bi2se3靶材的挡板，匀速旋转长有mn3sn薄膜的基片，到达设定的生长时间后，关闭溅射电源和重金属靶材的挡板，制得mn3sn(10nm)/bi2se3(10nm)异质结构；3）采用与步骤2）相同的薄膜沉积工艺，在步骤2）得到的mn3sn(10nm)/bi2se3(10nm) 异质结构上生长2个周期的mn3sn(10nm)/bi2se3(10nm)异质结构，与实施例1所述步骤3）相同的多次周期生长顺序，在本实施例第一周期膜层的基础上再进行2个周期的膜层生长，获得[mn3sn(10nm)/bi2se3(10nm)]3多层膜结构，所述多层膜结构即为反铁磁自旋电子太赫兹发射器。
[0024]
实施例4一种光泵浦反铁磁自旋电子太赫兹发射器，以厚度为20nm的tbptsn薄膜作为非共线反铁磁薄膜层，以厚度为15nm的ta薄膜作为非磁性重金属薄膜层，构成[tbptsn(20nm)/ta(15nm)]4多层膜结构的自旋电子太赫兹发射器；一种光泵浦反铁磁自旋电子太赫兹发射器的制备方法，包括以下步骤：1）在透光的石英基片上生长厚度为20nm的tbptsn，tbptsn作为非共线反铁磁薄膜层；2）在步骤1）得到的非共线反铁磁tbptsn薄膜层上生长厚度为20nm的非磁性ta薄膜：在10-5
pa量级的真空环境下，以25sccm的氩气流量通入真空室，待气压稳定后，背底真空度为0.5pa；在0.5pa的气压环境下，打开磁控溅射电源，以50w的直流功率进行重金属ta靶材的溅射；打开ta靶材的挡板，匀速旋转长有tbptsn薄膜的基片，到达设定的生长时间后，关闭溅射电源和重金属靶材的挡板，制得tbptsn(20nm)/ta(15nm)异质结构；3）采用与步骤2）相同的薄膜沉积工艺，在步骤2）得到的tbptsn(20nm)/ta(15nm) 异质结构上生长3个周期的tbptsn(20nm)/ta(15nm)异质结构，与实施例1所述步骤3）相同
的多次周期生长顺序，在本实施例第一周期膜层的基础上再进行3个周期的膜层生长，获得[tbptsn(20nm)/ta(15nm)]4多层膜结构，所述多层膜结构即为反铁磁自旋电子太赫兹发射器。
[0025]
实施例5一种光泵浦反铁磁自旋电子太赫兹发射器，以厚度为5nm的mn3pt薄膜作为非共线反铁磁薄膜层，以厚度为5nm的ta薄膜作为非磁性重金属薄膜层，构成[mn3pt(5nm)/w(5nm)]5多多层膜结构的自旋电子太赫兹发射器；一种光泵浦反铁磁自旋电子太赫兹发射器的制备方法，包括以下步骤：1）在透光的蓝宝石单晶基片上生长厚度为5nm的mn3pt，mn3pt作为非共线反铁磁薄膜层；2）在步骤1）得到的非共线反铁磁mn3pt薄膜层上生长厚度为5nm的非磁性w薄膜：在10-5
pa量级的真空环境下，以60sccm的氩气流量通入真空室，待气压稳定后，背底真空度为0.8pa；在0.8pa的气压环境下，打开磁控溅射电源，以10w的直流功率进行重金属w靶材的溅射；打开w靶材的挡板，匀速旋转长有mn3pt薄膜的基片，到达设定的生长时间后，关闭溅射电源和重金属靶材的挡板，制得mn3pt(5nm)/w(5nm)异质结构；3）采用与步骤2）相同的薄膜沉积工艺，在步骤2）得到的mn3pt(5nm)/w(5nm) 异质结构上生长4个周期的mn3pt(5nm)/w(5nm)异质结构，与实施例1所述步骤3）相同的多次周期生长顺序，在本实施例第一周期膜层的基础上再进行4个周期的膜层生长，获得[mn3pt(5nm)/w(5nm)]5多层膜结构，所述多层膜结构即为反铁磁自旋电子太赫兹发射器。
[0026]
实施例6一种光泵浦反铁磁自旋电子太赫兹发射器，以厚度为10nm的mn3ga薄膜作为非共线反铁磁薄膜层，以厚度为5nm的pt薄膜作为非磁性重金属薄膜层，构成[mn3ga/pt]2多层膜结构的自旋电子太赫兹发射器；一种光泵浦反铁磁自旋电子太赫兹发射器的制备方法，包括以下步骤：1）在透光的蓝宝石单晶基片上生长厚度为10nm的mn3ga，mn3ga作为非共线反铁磁薄膜层；2）在步骤1）得到的非共线反铁磁mn3ga薄膜层上生长厚度为5nm的非磁性pt薄膜：在10-5
pa量级的真空环境下，以30sccm的氩气流量通入真空室，待气压稳定后，背底真空度为0.3pa；在0.3pa的气压环境下，打开磁控溅射电源，以60w的直流功率进行重金属pt靶材的溅射；打开pt靶材的挡板，匀速旋转长有mn3ga薄膜的基片，到达设定的生长时间后，关闭溅射电源和重金属靶材的挡板，制得mn3ga(10nm)/pt(5nm)异质结构；3）采用与步骤2）相同的薄膜沉积工艺，在步骤2）得到的mn3ga(10nm)/pt(5nm) 异质结构上生长1个周期的mn3ga(10nm)/pt(5nm)异质结构，与实施例1所述步骤3）相同的多次周期生长顺序，在本实施例第一周期膜层的基础上再进行1个周期的膜层生长，获得[mn3ga(10nm)/pt(5nm)]2多层膜结构，所述多层膜结构即为反铁磁自旋电子太赫兹发射器。
[0027]
综上所述，本发明中制备得到的反铁磁自旋电子太赫兹发射器的发射方式是采用飞秒脉冲激光泵浦透过[非共线反铁磁/非磁性重金属]n多层膜产生太赫兹波，不需要施加外磁场，无疑减少部件的投入，也缩短了器件的尺寸和大小，利于器件的集成化和小型化。在制备过程中，制备一个反铁磁自旋电子太赫兹发射器仅需非共线反铁磁材料和非磁性重
金属材料，无需增加其它材料，减少多种类的材料投入，制备需求的膜层数时候，在已制备好的一个周期的膜成基础上再进行生长相应的膜层周期数即可，制备方法简单易获得，适合推广应用。
[0028]
以上所述实施例仅表达了本技术的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本技术保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。