阅读说明：本技术 一种调控锑化碲薄膜圆偏振光致电流的方法 (Method for regulating and controlling circularly polarized light induced current of tellurium antimonide film ) 是由 俞金玲 潘庆高 赵宜升 程树英 于 2019-10-18 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种调控锑化碲薄膜圆偏振光致电流的方法。该方法通过改变薄膜的厚度,来改变表面粗糙度,从而调控锑化碲薄膜中圆偏振光致电流；锑化碲薄膜中的圆偏振光致电流信号是由上表面态的信号和下表面态的信号叠加而成；由于上表面态和下表面态的自旋轨道耦合的方向是相反的；当薄膜厚度增加时,表面粗糙度增加,上表面态的贡献减小,上表面态和下表面态信号叠加以后下表面态的信号会占主导,从而使得圆偏振光致电流的大小甚至符号发生变化,起到调控锑化碲薄膜中圆偏振光致电流的作用。本发明调控效果显著,简单易行,成本低廉,有利于日后推广应用。(The invention relates to a method for regulating and controlling circularly polarized light induced current of a tellurium antimonide film. The method changes the surface roughness by changing the thickness of the film, thereby regulating and controlling the circular polarization photoinduced current in the tellurium antimonide film; the circularly polarized light current-generating signal in the tellurium antimonide film is formed by superposing a signal in an upper surface state and a signal in a lower surface state; the direction of spin-orbit coupling due to the upper and lower surface states is opposite; when the thickness of the film is increased, the surface roughness is increased, the contribution of the upper surface state is reduced, and the signal of the lower surface state can be dominant after the signals of the upper surface state and the lower surface state are superposed, so that the magnitude and even the sign of circularly polarized light induced current are changed, and the effect of regulating and controlling circularly polarized light induced current in the tellurium antimonide film is achieved. The invention has obvious regulation and control effect, is simple and easy to implement, has low cost and is beneficial to popularization and application in the future.)

一种调控锑化碲薄膜圆偏振光致电流的方法

技术领域

本发明涉及偏振光电流调控领域，特别是一种调控锑化碲薄膜圆偏振光致电流的方法。

背景技术

由于三维拓扑绝缘体表面态具有很强的自旋轨道耦合效应，且其表面态受时间反演对称性的保护，因此其表面态是自旋动量锁定的。这使得它在量子计算、自旋电子学器件方面具有很好的应用前景。三维拓扑绝缘体锑化碲具有较为简单的能带结构，因此受到人们的广泛关注。然而，通常生长出来的锑化碲材料，由于本身的缺陷和环境的掺杂，使得体态也是导电的。因此，用通常的输运测量方法难以将表面态的信号分离出来。由于圆偏振光致电流要求体系具有特殊的对称性，因此可以在体态导电的锑化碲薄膜中分离出表面态的信号。具有来说，体态属于D_3d对称点群，因此不会产生圆偏振光致电流，而表面态属于C_3v对称点群，可以产生圆偏振光致电流。因此，圆偏振光致电流是研究三维拓扑绝缘体锑化碲表面态的有力工具。

然而，目前还没有对三维拓扑绝缘体锑化碲的圆偏振光致电流进行有效调控的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种调控锑化碲薄膜圆偏振光致电流的方法，调控效果显著，简单易行，成本低廉，有利于日后推广应用。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种调控锑化碲薄膜圆偏振光致电流的方法，通过改变锑化碲薄膜的厚度，从而改变锑化碲薄膜表面粗糙度，实现对锑化碲薄膜中圆偏振光致电流的调控。

在本发明一实施例中，所述锑化碲薄膜是用分子束外沿技术生长于(111)面InP衬底上；生长开始前，将MBE系统中腔室的真空度抽到1.9×10^-19mbar，然后将InP衬底加热到400度，且保持这个温度半个小时；在锑化碲薄膜生长过程中，保持InP衬底温度为200度；分子束外沿生长采用Sb源和Te源作为原材料，所采用的Sb和Te源的纯度均为99.9999％；Sb和Te的束流比是6:1；锑化碲薄膜生长结束后进行半小时的退火，退火温度为240度。

在本发明一实施例中，所述锑化碲薄膜为单晶结构；所述锑化碲薄膜为p型导电，且费米能级进入价带；锑化碲薄膜中的Rashba自旋***较小，小于0.05eV。

在本发明一实施例中，所述温度为室温。

在本发明一实施例中，采用波长为1064纳米的激光激发锑化碲薄膜。

在本发明一实施例中，所述锑化碲薄膜的厚度为7到30纳米之间。

在本发明一实施例中，所述锑化碲薄膜的大小为2×5mm²；所述锑化碲薄膜上的电极为Ti/Au电极，Ti的厚度是10纳米，金厚度为100纳米；Ti/Au电极直径为0.5mm的圆形电极，电极间距为1mm。

在本发明一实施例中，所述1064纳米的激发光的功率在30-250mW；所述1064纳米的激发光的功率稳定性为四小时内的功率波动性不超过1％；其中，1064纳米的激发光打在锑化碲薄膜上的光斑大小为直径0.8mm的圆形光斑，且光斑强度是高斯分布的。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种调控三维拓扑绝缘体锑化碲薄膜的圆偏振光致电流的方法，十分简单易行，成本低廉，有利于日后推广应用。

2、本发明提供的这种调控三维拓扑绝缘体锑化碲薄膜的圆偏振光致电流的方法，调控效果明显，调控范围较大。

附图说明

图1为本发明实施例的实验光路示意图。

图2为本发明实施例的采用厚度分别为7纳米和30纳米的锑化碲薄膜在1064纳米激光激发下产生的光电流随四分之一波片转角的变化曲线、公式拟合曲线以及拟合得到的圆偏振光致电流(CPGE)、线偏振光致电流(L₁和L₂)和背景电流(y₀)；入射角为-30度。

图3为本发明实施例的所采用的厚度分别为7纳米、20纳米和30纳米的锑化碲薄膜在1064纳米激光激发下产生的圆偏振光致电流随入射角的变化关系图。

图4本发明实施例的所采用的厚度分别为7纳米(a)、20纳米(b)和30纳米(c)的锑化碲薄膜的表面原子力显微镜形貌图。

图5本发明实施例的所采用激光正面入射(a)和背面入射(b)的光路示意图。

图6本发明实施例的所采用的厚度分别为7纳米(a)、20纳米(b)和30纳米(c)的锑化碲薄膜在激光背入射的情况下圆偏振光致电流随入射角的变化关系。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本实施例提供了一种锑化碲薄膜中圆偏振光致电流的方法，具体通过改变锑化碲薄膜的厚度，从而改变锑化碲薄膜表面粗糙度，实现对锑化碲薄膜中圆偏振光致电流的调控。

在本实施例中，测量用的锑化碲薄膜是用分子束外沿技术生长于(111)面InP衬底上；生长开始前，将MBE系统中腔室的真空度抽到1.9×10^-19mbar，然后将衬底加热到400度，且保持这个温度半个小时。在样品生长过程中，保持衬底温度为200度。分子束外沿生长采用Sb源和Te源作为原材料，所采用的Sb和Te源的纯度均为99.9999％；Sb和Te的束流比是6:1；薄膜生长结束后进行半小时的退火，退火温度为240度。所采用的锑化碲薄膜样品为单晶结构；所采用的锑化碲薄膜样品为p型导电，且费米能级进入价带。锑化碲薄膜中的Rashba自旋***较小，小于0.05eV。样品的测试温度为室温。

在本实施例中，采用波长为1064纳米的激光激发样品。

在本实施例中，生长不同厚度的样品，样品的厚度分别为7纳米，20纳米和30纳米。

在本实施例中，所述锑化碲薄膜样品的大小为2×5mm²；所述锑化碲薄膜样品上的电极为Ti/Au电极，Ti的厚度是10纳米，金厚度为100纳米；Ti/Au电极直径为0.5mm的圆形电极，电极间距为1mm。

在本实施例中，所采用的1064纳米激发光的功率在30-250mW；所述1064纳米激光的功率稳定性为四小时内的功率波动性不超过1％；其中，1064纳米激光打在样品上的光斑大小为直径0.8mm的圆形光斑，且光斑强度是高斯分布的。

具体的，接下来给出本实施例的具体实施过程。

首先，本实施例采用分子束外延设备在(111)面InP衬底上生长厚度分别为7纳米，20纳米和30纳米的锑化碲薄膜。锑化碲薄膜的大小为2×5mm²。生长开始前，将MBE系统中腔室的真空度抽到1.9×10^-19mbar，然后将衬底加热到400度，且保持这个温度半个小时。在样品生长过程中，保持衬底温度为200度。分子束外沿生长采用Sb源和Te源作为原材料，所采用的Sb和Te源的纯度均为99.9999％；Sb和Te的束流比是6:1；薄膜生长结束后进行半小时的退火，退火温度为240度。

接着，在锑化碲薄膜上生长一对Ti/Au电极，电极大小为直径0.5mm的圆形电极，电极间距为1mm。Ti电极的厚度为10nm，Au电极的厚度为100nm。采用图1所示的测试光路，激光器出来的激光依次通过斩波器、起偏器、四分之一波片，然后打在样品上两电极连线的中点。光斑的直径为0.8mm，光斑强度分布为高斯分布。激光的入射角记为Θ₀。

在激光的照射下，样品中将产生光电流。这个光电流通过两个圆形电极进行收集。且这个电流先进入前置放大器进行放大，然后进入锁相放大器。锁相放大器的参考频率为斩波器的频率，本实施例采用的是231Hz。光电流测量温度为室温。

在本实施例中，采用1064nm的激光作为激发光，激光的功率为80mW。激光的功率稳定性较好，为四小时内的功率波动性不超过1％。本实施例要改变光的入射角从30度到-30度，步长为10度。在每一个入射角下，转动四分之一波片从0度到360度，步长为5度。通过电脑的数据采集卡记录下每一个四分之一波片转角下的光电流。用origin软件画出某一个入射角下光电流随四分之一波片转角的曲线图，如图2所示。图2对应的入射角为-30度。图2(a)和(b)分别是厚度为30和7纳米的锑化碲薄膜中的光电流随四分之一波片转角的变化关系。

采用如下的公式(1)对数据进行拟合：

J＝Csin(2α)+L₁sin(4α)+L₂cos(4α)+y₀ 公式(1)

式中，C表示圆偏振光激发产生的圆偏振光致电流(记为CPGE)，L₁和L₂表示由线偏振光激发产生的线偏振光致电流，y₀表示由光伏效应、热电效应等引起的背景电流。拟合曲线如图2中实线所示。通过拟合就可以得到圆偏振光致电流CPGE，线偏振光致电流L₁和L₂，以及背景电流y₀。这样本实施例可以测得当入射角从30度变到-30度时的圆偏振光致电流，如图3所示。图3和图2中的圆偏振光致电流已经用光功率进行了归一化，即圆偏振光致电流除以光功率。用如下的公式(2)来描述锑化碲薄膜中的圆偏振光致电流随入射角的变化关系：

式中，Θ₀为入射角，n为拓扑绝缘体锑化碲的折射率，A为拟合参数。本实施例用公式(2)对锑化碲薄膜中的圆偏振光致电流随入射角的变化关系进行拟合，拟合结果如图3中实线所示。可见，拟合结果较好。从图3中可以看到，当入射角为30度时，随薄膜厚度增加，锑化碲薄膜中的圆偏振光致电流大小发生了变化，从正变到了负。

接着，我们用原子力显微镜测量了这三个不同厚度的锑化碲薄膜的表面形貌，并通过分析表面形貌得到样品的表面粗糙度。测量时，我们选了样品上不同的位置进行测量，最后将不同位置测得的表面粗糙度进行平均，得到样品的表面粗糙度值。图4为样品厚度分别为7纳米、20纳米和30纳米的锑化碲薄膜由原子力显微镜测得的典型的表面形貌的图像。通过分析测量，我们测得厚度为7纳米、20纳米和30纳米的锑化碲薄膜的表面均方根粗糙度分别为0.91、1.27和1.71纳米。可见，随厚度的增加，表面粗糙度增加。

通过霍尔测量，我们测得厚度为7纳米、20纳米和30纳米的锑化碲薄膜的载流子浓度分别为4.5×10¹³、6.6×10¹³和6.5×10¹³cm^-2。从载流子浓度的值我们可以推算出此时的费米能级已经进入体价带。通过霍尔测量，我们知道这三个样品的导电类型为p型导电。根据理论计算和角分辨光电子能谱测量，我们知道当薄膜厚度大于7纳米后，锑化碲薄膜的能带结构几乎不随厚度发生变化。且从我们霍尔的测量结构可知，厚度为7纳米、20纳米和30纳米的薄膜的费米能级也没有很大的差别。费米能级这样微小的差别不会引起圆偏振光致电流的反号。因此，圆偏振光致电流随薄膜厚度从7纳米增大到30纳米出现的反号现象可能是由于表面粗糙随厚度增加而增大引起的。

为了验证我们的猜想，我们测量了激光背面入射下的圆偏振光致电流，测量结果如图6所示。图5(a)和(b)分别是激光正面入射和背面入射的光路实验图。对比图4和图6，我们发现，对应某一个给定的入射角(如+30度)，当激光从正面入射变成背面入射时，厚度为7纳米的锑化碲薄膜的圆偏振光致电流出现了反号，而厚度为20纳米和30纳米的锑化碲薄膜的圆偏振光致电流却没有出现反号，且激光在背面入射时，厚度为20纳米和30纳米的锑化碲薄膜的圆偏振光致电流远大于激光在正面入射的情况下的圆偏振光致电流。根据文献，这种现象表明厚度为7纳米的样品上表面态和下表面态在产生圆偏振光致电流方向效率相当。此时，当激光为正面入射时，上表面态接收到的光强比下表面态强，从而上表面态的圆偏振光致电流占主导，而当激光变为背面入射时，由于下表面态接收到的光强比上表面态强，从而变成下表面态占主导。当激光从正面入射变为背面入射时，7纳米样品的圆偏振光致电流的符号就会发生反转。对于厚度为20纳米和30纳米的样品，当激光从正面入射变成背面入射时，圆偏振光致电流没有出现反号现象，且激光背面入射时的圆偏振光致电流大于正面入射的情况，表明不论是正面入射还是背面入射，都是下表面态占主导。结合原子力显微镜测得的表面粗糙度，我们可以得出如下结论：随着薄膜厚度增加，薄膜的表面粗糙度增加，从而使得上表面态产生的圆偏振光致电流增加；由于上表面态和下表面态产生的圆偏振光致电流的方向是相反的，随厚度增加，最终上表面态和下表面态产生的圆偏振光致电流的叠加从上表面占主导变成下表面态占主导，从而引起圆偏振光致电流随厚度增加而反号。可见，通过调节样品厚度，可以调节表面粗糙度，从而有效的调控三维拓扑绝缘体锑化碲薄膜的圆偏振光致电流。

综上可以看出，本实施例提供的一种调控三维拓扑绝缘体锑化碲薄膜的圆偏振光致电流的方法，实现比较方便，成本低，调控效果好。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。