專利名稱：極化電子發(fā)射源及自旋極化掃描隧道顯微鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種極化電子發(fā)射源以及采用該種極化電子發(fā)射源的自旋電子器件。
背景技術(shù)：
自旋電子器件是一種利用電子電荷和電子自旋共同作為信息載體的新型器件；其中，自旋極化掃描隧道顯微鏡是一種可用于測(cè)量表面磁結(jié)構(gòu)，空間分辨率可達(dá)原子尺寸的自旋電子器件。自旋極化掃描隧道顯微鏡的基本原理是利用量子隧道效應(yīng)，當(dāng)在其探針與待測(cè)樣品之間(探針與待測(cè)樣品的距離通常為0.1～10納米)施加電壓時(shí)，通過(guò)探針掃描待測(cè)樣品表面可在探針與待測(cè)樣品表面之間形成表征待測(cè)樣品表面磁結(jié)構(gòu)的隧道電流。其中，探針作為自旋掃描隧道顯微鏡的極化電子發(fā)射端或感測(cè)端。
對(duì)于實(shí)際應(yīng)用中的自旋電子器件，其關(guān)鍵在于獲取能在室溫條件下實(shí)現(xiàn)連續(xù)及高效率自旋極化電子束發(fā)射的極化電子發(fā)射源。
現(xiàn)有技術(shù)中揭露一種極化電子發(fā)射源，其包括微型鎢針尖(直徑約為1微米)以及形成在鎢針尖表面的鐵磁性薄膜如，鐵、鎳或其合金膜。其中，該鐵磁性薄膜具有納米級(jí)厚度(小于100納米)。當(dāng)將該鎢針尖置于磁場(chǎng)中并在其上施加負(fù)偏壓時(shí)，該極化電子發(fā)射源因磁場(chǎng)誘導(dǎo)及電場(chǎng)激發(fā)可產(chǎn)生極化電子束，該極化電子束中的電子自旋方向與所施加磁場(chǎng)方向平行。然而，該種極化電子發(fā)射源的操作溫度過(guò)低，通常工作在鎢針尖表面鐵磁性薄膜材料的居里溫度以下才可產(chǎn)生極化電子束。
現(xiàn)有技術(shù)中揭露另一種極化電子發(fā)射源，其包括由砷化鎵(GaAs)層以及交替形成在砷化鎵層表面的銫(Cs)層及氧(O)層構(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)。該銫層及氧層的采用主要用于產(chǎn)生負(fù)電子親和勢(shì)。當(dāng)利用光子能量等于砷化鎵禁帶寬度的圓偏振光照射上述多層結(jié)構(gòu)并在其上施加負(fù)偏壓時(shí)，該極化電子發(fā)射源因光激發(fā)可產(chǎn)生極化電子束。然而，由于該種極化電子發(fā)射源中銫層及氧層的形成需要在超高真空(至少為10-8帕斯卡)條件下執(zhí)行，其導(dǎo)致該種極化電子發(fā)射源制作難度較高。
有鑒于此，有必要提供一種極化電子發(fā)射源以及采用該種極化電子發(fā)射源的自旋極化掃描隧道顯微鏡，其可工作在室溫條件下且可具有制作簡(jiǎn)單之特點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
下面將以若干實(shí)施例說(shuō)明一種極化電子發(fā)射源及一種自旋極化掃描隧道顯微鏡。
一種極化電子發(fā)射源，其包括電極以及位于該電極上的III-V族化合物半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)；該III-V族化合物半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)包括與電極形成電連接的第一端以及遠(yuǎn)離該電極的第二端，該第二端作為極化電子發(fā)射端；當(dāng)向該電極施加負(fù)偏壓，經(jīng)由磁場(chǎng)誘導(dǎo)或/和圓偏振光激發(fā)可使該一維納米結(jié)構(gòu)的第二端發(fā)射出極化電子束。
優(yōu)選的，該III-V族化合物半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)選自開(kāi)口納米管、納米線及其混合。
以及，一種自旋極化掃描隧道顯微鏡，可用于測(cè)量樣品的表面磁結(jié)構(gòu)，該自旋極化掃描隧道顯微鏡包括導(dǎo)電體以及位于該導(dǎo)電體上的探針；該探針包括III-V族化合物半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)；該III-V族化合物半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)包括與導(dǎo)電體形成電連接的第一端以及遠(yuǎn)離該導(dǎo)電體的第二端，該第二端作為探針尖端；當(dāng)在該導(dǎo)電體與樣品之間施加電壓，經(jīng)由磁場(chǎng)誘導(dǎo)或/和圓偏振光激發(fā)可使該探針尖端發(fā)射或感測(cè)極化電子束。
優(yōu)選的，該III-V族化合物半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)選自開(kāi)口納米管、納米線及其混合。
相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，所述極化電子發(fā)射源及自旋極化掃描隧道顯微鏡，通過(guò)設(shè)置III-V族化合物半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)(優(yōu)選的，其選自開(kāi)口納米管、納米線及其混合)來(lái)實(shí)現(xiàn)極化電子束的發(fā)射或感測(cè)。由于該種III-V族化合物半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)通常具有較大的自旋劈裂效應(yīng)(Spin-Splitting Effect)和室溫條件下穩(wěn)定的局域磁矩，且其制備工藝較成熟。因此，本技術(shù)方案中的極化電子發(fā)射源及自旋極化掃描隧道顯微鏡可工作在室溫條件下且可具有制作簡(jiǎn)單之特點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明第一實(shí)施例利用磁場(chǎng)誘導(dǎo)產(chǎn)生極化電子束的極化電子發(fā)射源剖面示意圖。
圖2是本發(fā)明第二實(shí)施例利用圓偏振光激發(fā)產(chǎn)生極化電子束的極化電子發(fā)射源剖面示意圖。
圖3是本發(fā)明第三實(shí)施例自旋極化掃描隧道顯微鏡的局部剖面示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
第一實(shí)施例參見(jiàn)圖1，本發(fā)明第一實(shí)施例提供的極化電子發(fā)射源10，其利用磁場(chǎng)誘導(dǎo)產(chǎn)生極化電子束。該極化電子發(fā)射源10包括相對(duì)設(shè)置的電極12及13，III-V族化合物半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)14，及磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置16。
電極12通常設(shè)置在基底11上，其材質(zhì)可選用錫銦氧化物、N型摻雜或P型摻雜硅等電可導(dǎo)材料。該基底11的材質(zhì)可選用玻璃。
電極13與電極12之間形成有一間距。該電極13具有開(kāi)口132，III-V族化合物半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)14發(fā)射出的極化電子可穿過(guò)該開(kāi)口132進(jìn)入真空環(huán)境。該電極13的材質(zhì)可選用鉬、鈮等電可導(dǎo)金屬材料。
III-V族化合物半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)14位于電極12與電極13之間。通常，III-V族化合物半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)14包含有兩個(gè)端部，其中一個(gè)端部與電極12形成電連接，另一個(gè)端部則遠(yuǎn)離電極12作為極化電子發(fā)射端。該III-V族化合物半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)14通常選用能隙中存在極化的電子占據(jù)能級(jí)的開(kāi)口納米管、納米線，或其混合，其可經(jīng)由磁場(chǎng)誘導(dǎo)產(chǎn)生極化電子束。所述開(kāi)口納米管為一種管狀的一維納米結(jié)構(gòu)，其具有至少一開(kāi)口端。所述納米線通常為一種長(zhǎng)徑比不小于100的一維納米結(jié)構(gòu)。
本實(shí)施例中，III-V族化合物半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)14為富硼開(kāi)口氮化硼納米管，其能隙中存在極化的電子占據(jù)能級(jí)。該富硼開(kāi)口氮化硼納米管的一開(kāi)口端作為極化電子發(fā)射端。當(dāng)考慮到富硼開(kāi)口氮化硼納米管的手性(Chirality)時(shí)，其通?？杀硎緸楦慌痖_(kāi)口(n，m)氮化硼納米管(n＞|m|≥0，n，m為整數(shù))；其中，(n，m)為其螺旋向量的簡(jiǎn)寫(xiě)符號(hào)。該種富硼開(kāi)口(n，m)氮化硼納米管在室溫條件下具有穩(wěn)定的局域磁矩及大于1電子伏(eV)的自旋劈裂效應(yīng)，其能隙中的自旋極化深缺陷態(tài)表現(xiàn)出共軛特性。通常，當(dāng)該種富硼開(kāi)口(n，m)氮化硼納米管的開(kāi)口的截面與其管軸基本垂直時(shí)，其局域磁矩M(為整數(shù)，單位為波爾磁子μB)滿足如下關(guān)系式(1)，(2)及(3)(1)M＝QUOTIENT(n-m，m)，當(dāng)m≠0且MOD(n-m，m)為偶數(shù)；(2)M＝m-QUOTIENT(n-m，m)，當(dāng)m≠0且MOD(n-m，m)為奇數(shù)；(3)M＝MOD(n，2)，當(dāng)m＝0。其中，QUOTIENT(n-m，m)為(n-m)對(duì)m求整數(shù)商運(yùn)算；MOD(n-m，m)為(n-m)對(duì)m求余運(yùn)算；MOD(n，2)為n對(duì)2求佘運(yùn)算。該種富硼開(kāi)口(n，m)氮化硼納米管的開(kāi)口端自旋極化率通常在86％以上，其開(kāi)口端軸向方向的最外層原子為硼原子。該種富硼開(kāi)口(n，m)氮化硼納米管的局域磁矩越大，則該自旋極化率越大。
磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置16用于提供一磁場(chǎng)以使極化電子的自旋方向基本取向一致。圖1中箭頭所示方向?yàn)榇艌?chǎng)方向，該磁場(chǎng)方向基本與III-V族化合物半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)14的軸向方向平行。該磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置16可選用線圈，其環(huán)繞于該III-V族化合物半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)14。
下面將具體描述極化電子發(fā)射源10的基本工作過(guò)程在極化電子發(fā)射源10的工作過(guò)程中，將電極12及13，位于電極12與13之間的富硼開(kāi)口(n，m)氮化硼納米管以及磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置16置于真空環(huán)境中。電極12及13電連接至電壓源15以向電極12提供一預(yù)定大小的負(fù)偏壓(例如，當(dāng)富硼開(kāi)口(n，m)氮化硼納米管的極化電子發(fā)射端與電極13的間距約為6微米時(shí)，可向電極12與13之間施加150伏特(V)電壓)用以產(chǎn)生電場(chǎng)。在磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置16產(chǎn)生的磁場(chǎng)的誘導(dǎo)作用下，富硼開(kāi)口(n，m)氮化硼納米管極化電子發(fā)射端位于極化的電子占據(jù)能級(jí)中的電子的自旋方向?qū)⑷∠蛴谠摯艌?chǎng)方向，也即平行于該磁場(chǎng)方向。該自旋方向取向于該磁場(chǎng)方向的電子再經(jīng)由電場(chǎng)激發(fā)而發(fā)射出來(lái)以形成極化電子束。該極化電子束將穿過(guò)電極13的開(kāi)口132進(jìn)入真空環(huán)境中?？梢岳斫獾氖?，通過(guò)改變磁場(chǎng)方向，可變換極化電子的自旋方向(如，自旋向上或自旋向下)。
第二實(shí)施例參見(jiàn)圖2，本發(fā)明第二實(shí)施例提供的極化電子發(fā)射源20，其利用偏振光激發(fā)產(chǎn)生極化電子束。該極化電子發(fā)射源20包括相對(duì)設(shè)置的電極12及13，III-V族化合物半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)24，及偏振光產(chǎn)生裝置26。
III-V族化合物半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)24位于電極12與電極13之間。通常的，該III-V族化合物半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)24包含有兩個(gè)端部，其中一個(gè)端部與電極12形成電連接，另一個(gè)端部則遠(yuǎn)離電極12作為極化電子發(fā)射端。該III-V族化合物半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)24通常選用能隙中存在極化的電子非占據(jù)能級(jí)的開(kāi)口納米管、納米線，或其混合，其可經(jīng)由圓偏振光激發(fā)產(chǎn)生極化電子束。
本實(shí)施例中，III-V族化合物半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)24為富氮開(kāi)口氮化硼納米管，其能隙中存在極化的電子非占據(jù)能級(jí)。該富氮開(kāi)口氮化硼納米管的一開(kāi)口端作為極化電子發(fā)射端。當(dāng)考慮到富氮開(kāi)口氮化硼納米管的手性時(shí)，其通?？杀硎緸楦坏_(kāi)口(n，m)氮化硼納米管(n＞|m|≥0，n，m為整數(shù))。該種富氮開(kāi)口(n，m)氮化硼納米管在室溫條件下具有穩(wěn)定的局域磁矩及大于1電子伏(eV)的自旋劈裂效應(yīng)，其能隙中的自旋極化缺陷態(tài)表現(xiàn)出共軛特性。通常，當(dāng)該種富氮開(kāi)口(n，m)氮化硼納米管的開(kāi)口的截面與其管軸基本垂直時(shí)，其局域磁矩M(為整數(shù)，單位為波爾磁子μB)滿足如下關(guān)系式(4)(4)M＝n-m。該種富氮開(kāi)口(n，m)氮化硼納米管的開(kāi)口端軸向方向的最外層原子為氮原子，在預(yù)定光子能量的圓偏振光激勵(lì)下，其開(kāi)口端具有相當(dāng)高的自旋極化率。
偏振光產(chǎn)生裝置26可用于提供具有預(yù)定光子能量的圓偏振光262(如，左旋圓偏振光及右旋圓偏振光)照射III-V族化合物半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)24的極化電子發(fā)射端以使其受激而產(chǎn)生極化電子，該極化電子在外加負(fù)偏壓下可以發(fā)射出去，其自旋方向與該圓偏振光262的旋度(Helicity)相對(duì)應(yīng)；也即，偏振光激發(fā)產(chǎn)生極化電子束。可以理解的是，通過(guò)切換左旋圓偏振光與右旋圓偏振光，可變換該極化電子的自旋方向。
下面將具體描述極化電子發(fā)射源20的基本工作過(guò)程在極化電子發(fā)射源20的工作過(guò)程中，將電極12及13，位于電極12與13之間的富氮開(kāi)口(n，m)氮化硼納米管以及偏振光產(chǎn)生裝置26置于真空環(huán)境中。電極12及13電連接至電壓源15以向電極12提供一預(yù)定大小的負(fù)偏壓(例如，當(dāng)富氮開(kāi)口(n，m)氮化硼納米管的極化電子發(fā)射端與電極13的間距約為6微米時(shí)，可向電極12與13之間施加150伏特電壓)用以產(chǎn)生電場(chǎng)。偏振光產(chǎn)生裝置26產(chǎn)生具有預(yù)定光子能量的圓偏振光262以基本垂直于富氮開(kāi)口(n，m)氮化硼納米管軸向的方向入射至富氮開(kāi)口(n，m)氮化硼納米管的極化電子發(fā)射端。該圓偏振光通常為紅外圓偏振光，其光子能量可將富氮開(kāi)口(n，m)氮化硼納米管中電子激發(fā)至其極化的電子非占據(jù)能級(jí)上，進(jìn)而成為與該入射的圓偏振光的旋度相對(duì)應(yīng)的極化電子。該位于電子非占據(jù)能級(jí)上的極化電子再經(jīng)由電場(chǎng)激發(fā)而發(fā)射出來(lái)以形成極化電子束。該極化電子束將穿過(guò)電極13的開(kāi)口132進(jìn)入真空環(huán)境中。
本發(fā)明第一及第二實(shí)施例中的開(kāi)口(n，m)氮化硼納米管形成在電極12的方法可為將開(kāi)口(n，m)氮化硼納米管與導(dǎo)電漿料(如，銀漿料)混合以制得一混合漿料；通過(guò)印刷法將該混合漿料形成在電極12上；在惰性氣體保護(hù)下或真空環(huán)境中燒結(jié)使混合漿料固化在電極12上，該燒結(jié)溫度為350～600℃，并維持20～60分鐘；摩擦該燒結(jié)固化的混合漿料的表面以產(chǎn)生靜電，經(jīng)由靜電吸引使混合漿料中的開(kāi)口(n，m)氮化硼納米管的端部暴露出來(lái)。
可以理解的是，當(dāng)本發(fā)明第一及第二實(shí)施例中的III-V族化合物半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)14或24為富硼開(kāi)口(n，m)氮化硼納米管與富氮開(kāi)口(n，m)氮化硼納米管的混合物時(shí)，可以采用磁場(chǎng)誘導(dǎo)及偏振光激發(fā)共同作用該種III-V族化合物半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)，使其在外加負(fù)偏壓的激勵(lì)下產(chǎn)生極化電子束。
第三實(shí)施例參見(jiàn)圖3，本發(fā)明第三實(shí)施例提供的自旋極化掃描隧道顯微鏡30，可用于探測(cè)磁性樣品43的表面磁結(jié)構(gòu)。該自旋極化掃描隧道顯微鏡30包括導(dǎo)電體32，及III-V族化合物半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)34。
該導(dǎo)電體32可用于向III-V族化合物半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)34提供電連接，其材質(zhì)可為固化的導(dǎo)電漿料(如銀漿料)等電可導(dǎo)材料。
該III-V族化合物半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)34作為自旋極化掃描隧道顯微鏡30的探針。該III-V族化合物半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)34通常包含有兩個(gè)端部，其中一個(gè)端部與導(dǎo)電體32形成電連接；另一個(gè)端部則遠(yuǎn)離導(dǎo)電體32作為極化電子發(fā)射端或感測(cè)端，也即，探針尖端。該III-V族化合物半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)34能隙中存在極化的電子占據(jù)能級(jí)或極化的電子非占據(jù)能級(jí)，其通常選用開(kāi)口納米管、納米線，或其混合。
本實(shí)施例中，導(dǎo)電體32的材質(zhì)選用固化的銀漿料。III-V族化合物半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)34選用開(kāi)口(n，m)氮化硼納米管，如富硼開(kāi)口(n，m)氮化硼納米管或富氮開(kāi)口(n，m)氮化硼納米管。開(kāi)口(n，m)氮化硼納米管的一開(kāi)口端作為極化電子發(fā)射端或感測(cè)端，以下稱為開(kāi)口氮化硼納米管探針尖端。對(duì)于能隙中存在極化的電子占據(jù)能級(jí)的富硼開(kāi)口(n，m)氮化硼納米管，可以采用磁場(chǎng)誘導(dǎo)產(chǎn)生極化電子束；對(duì)于能隙中存在極化的電子非占據(jù)能級(jí)的富氮開(kāi)口(n，m)氮化硼納米管，則可以采用偏振光激發(fā)產(chǎn)生極化電子束；對(duì)于富硼開(kāi)口(n，m)氮化硼納米管與富氮開(kāi)口(n，m)氮化硼納米管混合物，可以采用磁場(chǎng)誘導(dǎo)和偏振光激發(fā)共同作用來(lái)產(chǎn)生極化電子束。
該導(dǎo)電體32與開(kāi)口(n，m)氮化硼納米管形成電連接的方法可為將開(kāi)口(n，m)氮化硼納米管與導(dǎo)電漿料(如，銀漿料)混合以制得一混合漿料；通過(guò)印刷法將該混合漿料形成在一基底(例如懸臂的自由端)上；在惰性氣體保護(hù)下或真空環(huán)境中燒結(jié)使混合漿料固化在該基底上，該燒結(jié)溫度為350～600℃，并維持20～60分鐘；摩擦該燒結(jié)固化的混合漿料的表面以產(chǎn)生靜電，經(jīng)由靜電吸引使混合漿料中開(kāi)口(n，m)氮化硼納米管的端部暴露出來(lái)；該固化的導(dǎo)電漿料則可充當(dāng)本實(shí)施例中的導(dǎo)電體32。可以理解的是，利用化學(xué)氣相沉積法以氧化鉬(MoO3)為催化劑直接在一基底(如懸臂的自由端)上生長(zhǎng)(n，m)氮化硼納米管；然后將制取的(n，m)氮化硼納米管在空氣中加熱到800℃并維持20分鐘左右也可獲得位于該氧化鉬催化劑上并與其形成電連接的開(kāi)口(n，m)氮化硼納米管；在此種情形下，該催化劑可充當(dāng)導(dǎo)電體32。
在本實(shí)施例自旋極化掃描隧道顯微鏡30探測(cè)磁性樣品43表面磁結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，將III-V族化合物半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)34與樣品43置于真空環(huán)境中；開(kāi)口氮化硼納米管探針尖端與樣品43之間的距離通常設(shè)置為0.1～10納米。當(dāng)將導(dǎo)電體32與樣品43電連接至一電壓源35以在開(kāi)口氮化硼納米管探針尖端與樣品43之間施加一工作電壓時(shí)，在磁場(chǎng)誘導(dǎo)或圓偏振光激發(fā)作用下，電子就可以因量子隧道效應(yīng)由開(kāi)口氮化硼納米管探針尖端轉(zhuǎn)移到樣品43，從而在開(kāi)口氮化硼納米管探針尖端與樣品43之間形成隧道電流。由于開(kāi)口氮化硼納米管探針尖端是自旋極化的，因此該隧道電流是一種自旋依賴(Spin Dependent)隧道電流。經(jīng)由位置控制器38控制開(kāi)口氮化硼納米管探針尖端掃描樣品43可產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于樣品43表面各個(gè)位置磁結(jié)構(gòu)的自旋依賴隧道電流。該自旋依賴隧道電流可經(jīng)由電流輸出裝置36實(shí)時(shí)輸出至控制器37。該控制器37將獲取的自旋依賴隧道電流輸出至外圍設(shè)備如，計(jì)算機(jī)以獲取樣品43的表面磁性成像。同時(shí)，該控制器37可根據(jù)獲取的自旋依賴隧道電流產(chǎn)生一反饋信號(hào)并輸出給位置控制器38，以使開(kāi)口氮化硼納米管探針尖端與樣品43之間的距離在整個(gè)探測(cè)過(guò)程中保持不變。本實(shí)施例中，由于開(kāi)口氮化硼納米管探針尖端具有穩(wěn)定的局域磁矩，其自旋結(jié)構(gòu)在與磁性樣品43的交互作用過(guò)程中可保持不變；該種特性使得自旋極化掃描隧道顯微鏡30具有較高的探測(cè)精度。
本發(fā)明第一、第二及第三實(shí)施例中的開(kāi)口(n，m)氮化硼納米管如，富硼開(kāi)口(n，m)氮化硼納米管或富氮開(kāi)口(n，m)氮化硼納米管可通過(guò)如下制備方法獲取首先通過(guò)化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposition，CVD)法、電弧放電(Arc Discharge)法、激光消融(Laser Ablation)法或其它方法來(lái)獲取氮化硼納米管。由于(n，m)氮化硼納米管中硼-氮(B-N)鍵是極性的，上述形成的(n，m)氮化硼納米管基本上滿足條件n＞|m|≥0，n，m為整數(shù)。然后，將上述制取的(n，m)氮化硼納米管在空氣中加熱到800℃并維持20分鐘左右即可獲得開(kāi)口(n，m)氮化硼納米管。另外，為提高開(kāi)口(n，m)氮化硼納米管的電輸運(yùn)特性，可對(duì)其管體(也即，其兩端部之間的位置)進(jìn)行碳原子摻雜處理，其步驟可為將質(zhì)量比為1∶5的開(kāi)口(n，m)氮化硼納米管與C60置于真空度約為10-6托(Torr)的石英容器中，加熱至550～630℃并維持24～48小時(shí)即可獲得管體碳摻雜開(kāi)口(n，m)氮化硼納米管。
另外，本發(fā)明第一、第二及第三實(shí)施例中III-V族化合物半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)還可選用其它III-V族化合物半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)，如開(kāi)口氮化鎵納米管或氮化鎵納米線；并可根據(jù)開(kāi)口氮化鎵納米管及氮化鎵納米線的能隙結(jié)構(gòu)(存在極化的電子占據(jù)能級(jí)或極化的電子非占據(jù)能級(jí))選擇適當(dāng)?shù)姆椒?如磁場(chǎng)誘導(dǎo)或偏振光激發(fā)法)產(chǎn)生極化電子束。
另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可于本發(fā)明精神內(nèi)做其它變化，如選用具有與III-V族化合物半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)相似的其它一維納米結(jié)構(gòu)，如潛在的II-VI族化合物半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)；或變換開(kāi)口氮化硼納米管的制備方法以用于本發(fā)明等設(shè)計(jì)，只要其不偏離本發(fā)明的技術(shù)效果均可。這些依據(jù)本發(fā)明精神所做的變化，都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種極化電子發(fā)射源，其包括一個(gè)電極；其特征在于，還包括位于該電極上的III-V族化合物半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)；該III-V族化合物半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)包括與電極形成電連接的第一端以及遠(yuǎn)離該電極的第二端，該第二端作為極化電子發(fā)射端；當(dāng)向該電極施加負(fù)偏壓，經(jīng)由磁場(chǎng)誘導(dǎo)或/和圓偏振光激發(fā)可使該一維納米結(jié)構(gòu)的第二端發(fā)射極化電子束。
2.如權(quán)利要求1所述的極化電子發(fā)射源，其特征在于，所述III-V族化合物半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)選自開(kāi)口納米管、納米線及其混合。
3.如權(quán)利要求2所述的極化電子發(fā)射源，其特征在于，所述III-V族化合物半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)的能隙中具有極化的電子占據(jù)能級(jí)，經(jīng)由磁場(chǎng)誘導(dǎo)可使其第二端發(fā)射極化電子束。
4.如權(quán)利要求3所述的極化電子發(fā)射源，其特征在于，所述III-V族化合物半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)選自富硼開(kāi)口氮化硼納米管、開(kāi)口氮化鎵納米管及氮化鎵納米線。
5.如權(quán)利要求4所述的極化電子發(fā)射源，其特征在于，所述富硼開(kāi)口氮化硼納米管的磁矩M與該富硼開(kāi)口氮化硼納米管的螺旋向量(n，m)滿足以下關(guān)系式(1)、(2)及(3)(1)M＝QUOTIENT(n-m，m)，當(dāng)m≠0且MOD(n-m，m)為偶數(shù)；(2)M＝m-QUOTIENT(n-m，m)，當(dāng)m≠0且MOD(n-m，m)為奇數(shù)；(3)M＝MOD(n，2)，當(dāng)m＝0；式中，M為整數(shù)，單位為波爾磁子μB；QUOTIENT為求整數(shù)商運(yùn)算符；MOD為求余運(yùn)算符；n＞|m|≥0且n，m為整數(shù)。
6.如權(quán)利要求3所述的極化電子發(fā)射源，其特征在于，還包括磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置，該磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置環(huán)繞該III-V族化合物半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)用以產(chǎn)生磁場(chǎng)，經(jīng)由磁場(chǎng)誘導(dǎo)使該III-V族化合物半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)能隙中極化的電子占據(jù)能級(jí)上的極化電子的自旋方向取向于該磁場(chǎng)。
7.如權(quán)利要求2所述的極化電子發(fā)射源，其特征在于，所述III-V族化合物半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)的能隙中具有極化的電子非占據(jù)能級(jí)，經(jīng)由圓偏振光激發(fā)可使其第二端發(fā)射極化電子束。
8.如權(quán)利要求7所述的極化電子發(fā)射源，其特征在于，所述III-V族化合物半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)選自富氮開(kāi)口氮化硼納米管、開(kāi)口氮化鎵納米管及氮化鎵納米線。
9.如權(quán)利要求8所述的極化電子發(fā)射源，其特征在于，所述富氮開(kāi)口氮化硼納米管的磁矩M與該富氮開(kāi)口氮化硼納米管的螺旋向量(n，m)滿足以下關(guān)系式(4)(4)M＝n-m；式中，M為整數(shù)，單位為波爾磁子μB；n＞|m|≥0且n，m為整數(shù)。
10.如權(quán)利要求7所述的極化電子發(fā)射源，其特征在于，還包括偏振光產(chǎn)生裝置，該偏振光產(chǎn)生裝置用于產(chǎn)生圓偏振光照射該III-V族化合物半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)的極化電子發(fā)射端，經(jīng)由圓偏振光激發(fā)使該III-V族化合物半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)中的電子占據(jù)其能隙中極化的電子非占據(jù)能級(jí)以形成極化電子，該極化電子的自旋方向與該圓偏振光的旋度一致。
11.一種自旋極化掃描隧道顯微鏡，其可用于測(cè)量磁性樣品的表面磁結(jié)構(gòu)；該自旋極化掃描隧道顯微鏡包括導(dǎo)電體以及位于該導(dǎo)電體上的探針；其特征在于，該探針包括III-V族化合物半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)；該III-V族化合物半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)包括與導(dǎo)電體形成電連接的第一端以及遠(yuǎn)離該導(dǎo)電體的第二端，該第二端作為探針尖端；當(dāng)在該導(dǎo)電體與樣品之間施加電壓，經(jīng)由磁場(chǎng)誘導(dǎo)或/和圓偏振光激發(fā)可使該探針尖端發(fā)射或感測(cè)極化電子束。
12.如權(quán)利要求11所述的自旋極化掃描隧道顯微鏡，其特征在于，所述III-V族化合物半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)選自開(kāi)口納米管、納米線及其混合。
13.如權(quán)利要求12所述的自旋極化掃描隧道顯微鏡，其特征在于，所述III-V族化合物半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)的能隙中具有極化的電子占據(jù)能級(jí)或極化的電子非占據(jù)能級(jí)。
14.如權(quán)利要求13所述的自旋極化掃描隧道顯微鏡，其特征在于，所述III-V族化合物半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)選自開(kāi)口氮化硼納米管，開(kāi)口氮化鎵納米管及氮化鎵納米線。
15.如權(quán)利要求14所述的自旋極化掃描隧道顯微鏡，其特征在于，所述開(kāi)口氮化硼納米管選自富硼開(kāi)口氮化硼納米管及富氮開(kāi)口氮化硼納米管。
16.如權(quán)利要求14所述的自旋極化掃描隧道顯微鏡，其特征在于，所述開(kāi)口氮化硼納米管為管體碳摻雜開(kāi)口氮化硼納米管。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種極化電子發(fā)射源。該種極化電子發(fā)射源通常包括電極以及位于該電極上的III－V族化合物半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)；該III－V族化合物半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)包括與電極形成電連接的第一端以及遠(yuǎn)離該電極的第二端，該第二端作為極化電子發(fā)射端；當(dāng)向該電極施加負(fù)偏壓，經(jīng)由磁場(chǎng)誘導(dǎo)或/和圓偏振光激發(fā)可使該一維納米結(jié)構(gòu)的第二端發(fā)射極化電子束。本發(fā)明還提供一種采用III－V族化合物半導(dǎo)體一維納米結(jié)構(gòu)作為探針的自旋極化電子掃描隧道顯微鏡。
文檔編號(hào)G02B21/00GK101075015SQ20061006073
公開(kāi)日2007年11月21日 申請(qǐng)日期2006年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月19日
發(fā)明者段文暉, 郝少剛, 周剛, 吳健, 顧秉林 申請(qǐng)人:清華大學(xué), 鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司