專利名稱：磁圓二向色性光電導(dǎo)譜測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁學(xué)和半導(dǎo)體自旋電子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別適用于對半導(dǎo)體自旋電子學(xué)材料(比如稀磁半導(dǎo)體材料)的自旋相關(guān)光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)的研究，提供了一種磁圓ニ向色性光電導(dǎo)譜(PC-MCD)測量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近年來自旋電子學(xué)逐漸興起，磁光光譜測量和電學(xué)測量作為重要的測量手段，在自旋電子學(xué)研究中發(fā)揮了重要的作用。 MCD全稱為磁圓ニ向色性，即在磁場下，物質(zhì)對左旋圓偏振光與右旋圓偏振光的吸收率不同的現(xiàn)象，它是研究材料磁學(xué)性質(zhì)的重要手段。光電導(dǎo)譜測量光照引起的樣品電導(dǎo)率的變化，光吸收產(chǎn)生附加的載流子，引起樣品電導(dǎo)率的變化。由于半導(dǎo)體對不同波長的光吸收率存在差異，特別是在半導(dǎo)體帶隙邊緣，吸收率會有明顯的突變，因此通過測量光電導(dǎo)隨波長的變化，可以獲得樣品能帶結(jié)構(gòu)的信息。光電導(dǎo)正比于光電壓，一般鎖相放大器測量光電壓信號。通常的光電導(dǎo)測量系統(tǒng)中，入射光設(shè)置成穩(wěn)態(tài)的左圓或右圓偏振光，通過分別測量兩種偏振光引起的光電導(dǎo)的差異，來獲得樣品的光譜結(jié)構(gòu)和磁學(xué)信息。然而通常情況下，這種差異非常小，加之測量系統(tǒng)本身存在的噪聲，使得分辨這種差異變得很困難。如何設(shè)計ー套高信噪比，并且可以靈活改變溫度、磁場、波長的光電導(dǎo)譜測量系統(tǒng)，是各磁學(xué)、光學(xué)實驗室期待解決的重要技術(shù)問題之一。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問題本發(fā)明的主要目的在于提供ー套配置靈活，有較高分辨率的磁圓ニ向色性光電導(dǎo)譜(PC-MCD)測量系統(tǒng)，在測量過程中可以根據(jù)實驗需要靈活地改變波長、磁場大小以及樣品的溫度。( ニ )技術(shù)方案為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種磁圓ニ向色性光電導(dǎo)譜測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一超連續(xù)白光光源(LS)，其出射光經(jīng)過單色儀后作為樣品測試光源；一單色儀(SP)，對該超連續(xù)白光光源(LS)的出射光進行濾波，僅選擇單一波長的光通過；一斬波器(CP)，對該單色儀(SP)出射光進行斬波調(diào)制，并為第一鎖相放大器(LIAl)提供參考信號，從而得到樣品光生電壓的強度；一格蘭泰勒棱鏡(P)，用于將單色儀(SP)出射光變?yōu)榫€偏振光；一光彈調(diào)制器(MO)，用于將格蘭泰勒棱鏡(P)出射的線偏光變?yōu)橹芷谛云裾{(diào)制光；
一消色差透鏡(L)，用于聚焦入射光到樣品上；一中心帶有室溫孔洞的超導(dǎo)磁體杜瓦(MG)，提供用于光電導(dǎo)譜測量的磁場；一電流源(CS)，為樣品提供一穩(wěn)定的直流電流；第一鎖相放大器(LIAl)和第二鎖相放大器(LIA2),用于測量樣品光生電壓信號的對應(yīng)特定頻率的信號幅度；以及一由計算機組成的數(shù)據(jù)處理與存儲系統(tǒng)。上述方案中，所述超連續(xù)白光光源(LS)通過ー個波長為1064nm的泵浦光激發(fā)ー 個非線性光纖，得到功率最大2w，波長范圍覆蓋450nm至1500nm的超連續(xù)白光。與傳統(tǒng)的白光光源(如汞燈)相比，該光源具有更大的功率，更好的準(zhǔn)直性，更寬的光譜覆蓋范圍，更均勻的光強分布等顯著優(yōu)點。上述方案中，該系統(tǒng)利用格蘭泰勒棱鏡(P)將單色儀出射光變?yōu)榫€偏振光，利用光彈調(diào)制器(MO)將線偏光變?yōu)橹芷谛云裾{(diào)制光，利用光生電壓檢測樣品對不同偏振態(tài)光吸收的差別。上述方案中，所述光彈調(diào)制器(MO)工作在O. 25 λ模式，工作頻率為50ΚΗΖ。所述光彈調(diào)制器(MO)的快軸與慢軸均與格蘭泰勒棱鏡的通光軸成45°角。上述方案中，該系統(tǒng)利用電流源(CS)為樣品提供恒定電流，利用第一鎖相放大器(LIAl)和第二鎖相放大器(LIA2)組成信號探測和處理系統(tǒng)，將樣品兩端的電壓信號輸入到第一鎖相放大器(LIAl)和第二鎖相放大器(LIA2)中，其中第一鎖相放大器(LIAl)的參考頻率為斬波器頻率，測量樣品光生電壓；第二鎖相放大器(LIA2)的參考頻率為光彈調(diào)制器頻率(50ΚΗΖ)，測量信號中頻率為50ΚΗΖ的成分的幅度，該幅度正比于樣品對左圓和右圓偏振光吸收的差別。上述方案中，該系統(tǒng)采用兩端電壓測量法，將樣品做成長條狀，兩端做好歐姆接觸電極，通過電極通恒定電流，用鎖相放大器測量兩端電壓。上述方案中，所述中心帶有室溫孔洞的超導(dǎo)磁體杜瓦(MG)中設(shè)置有一制冷器，用于控制樣品的溫度，樣品放置在該制冷器的冷頭上。所述超導(dǎo)磁體杜瓦(MG)與所述制冷器相互分離，放置樣品的冷頭能夠伸入超導(dǎo)磁體杜瓦(MG)的室溫孔洞中，所述超導(dǎo)磁體杜瓦(MG)用于提供OT(特斯拉)到+5Τ范圍的垂直樣品表面的磁場，所述制冷器能夠使樣品溫度在4Κ(開爾文)到300Κ范圍變化。(三)有益效果從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果本發(fā)明提供的磁圓ニ向色性光電導(dǎo)譜測量系統(tǒng)，由于使用光彈調(diào)制器將入射光變?yōu)樽笮龍A和右旋圓偏振周期性變化的調(diào)制光，所以可以測量樣品的左旋圓光電壓和右旋圓光電壓的差值隨波長的變化，即磁圓ニ向色性光電導(dǎo)譜(PC-MCD);在固定波長，測量左旋圓光電壓和右旋圓光電壓的差值隨磁場的變化時，可以獲得樣品的磁滯回線。測量磁圓ニ向色性光電導(dǎo)(PC-MCD)隨溫度的變化時，可以獲得居里溫度的信息。該測量系統(tǒng)排除了穩(wěn)態(tài)光電導(dǎo)譜測量時存在的分辨率低，噪聲大等問題，同時可縮短測量所需要的時間。靈活改變樣品溫度，磁場，探測光波長，用于樣品自旋相關(guān)的能帶結(jié)構(gòu)和磁性質(zhì)研究。


為進ー步說明本發(fā)明的內(nèi)容及特點，以下結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進ー步的詳細描述，其中圖I是本發(fā)明提供的磁圓ニ向色性光電導(dǎo)譜(PC-MCD)測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是利用本發(fā)明提供的磁圓ニ向色性光電導(dǎo)譜(PC-MCD)測量系統(tǒng)在4K溫度，
O.7T磁場下測量的一塊摻猛砷化鎵(GaMnAs)樣品的磁圓ニ向色性光電導(dǎo)譜(PC-MCD)。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進ー步詳細說明。請參閱圖I所示，圖I是本發(fā)明提供的磁圓ニ向色性光電導(dǎo)譜(PC-MCD)測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，該系統(tǒng)包括一超連續(xù)白光光源，其出射光經(jīng)過單色儀后作為樣品測試光源。一單色儀，對白光光源的出射光進行濾波，僅選擇單一波長的光通過。ー斬波器，對單色儀出射光進行斬波調(diào)制，并為鎖相放大器提供參考信號，從而得到樣品光電導(dǎo)的強度。一格蘭泰勒棱鏡，把単色儀出射光變?yōu)榫€偏振光。一光彈調(diào)制器，把格蘭泰勒棱鏡出射的線偏光變?yōu)橹芷谛云裾{(diào)制光(左圓和右圓偏振光交替變化)。一消色差透鏡，用于聚焦入射光到樣品上。一中心帶有室溫孔洞的超導(dǎo)磁體杜瓦，提供用于磁光光譜的磁場，制冷機放置樣品的制冷頭能深入超導(dǎo)磁體杜瓦的室溫孔洞中。一制冷機，控制樣品的溫度，樣品放置在其制冷頭上。其溫度可在4K到300K范圍內(nèi)變化。ー電流源，為樣品提供一穩(wěn)定的直流電流。兩臺鎖相放大器，用于檢測光電壓的對應(yīng)特定頻率的信號。計算機組成的數(shù)據(jù)處理與存儲系統(tǒng)。其中，超連續(xù)白光光源(LS)可以發(fā)出波長范圍很寬(450nm-1500nm)而且功率很大(最大2W)發(fā)散角較小的連續(xù)光。白光從單色儀(SP)入射狹縫進入，經(jīng)過光柵分光，在出射狹縫可以得到單一波長的単色光，通過計算機控制連續(xù)轉(zhuǎn)動単色儀光柵，就可以對波長進行連續(xù)掃描。斬波器(CP)，由于葉片的均勻轉(zhuǎn)動，周期性地使得入射光通過與不通過。 斬波為第一鎖相放大器(LIAl)提供參考信號,從而測量光電壓的強度。格蘭泰勒棱鏡(P)作為起偏器，波長應(yīng)用范圍220nm-2500nm，消光比大于1X104。單色儀出射的光經(jīng)過格蘭泰勒棱鏡起偏后，變成線偏振光。光彈調(diào)制器MO工作在O. 25 λ模式，工作頻率為50ΚΗΖ，它對格蘭泰勒棱鏡出射的線偏振光進行周期性的調(diào)制。調(diào)整光彈調(diào)制器的快軸和慢軸(快軸與慢軸相互垂直)都與格蘭泰勒棱鏡的通光軸成45°角，光彈調(diào)制器MO出射的光以50ΚΗΖ的頻率工作在“線偏-左圓偏振-線偏-右圓偏振-線偏”的模式，照射到樣品上。樣品放置在制冷器的冷頭上，制冷器通過液氦制冷，并通過電阻絲加熱，使樣品溫度可在4Κ-300Κ范圍內(nèi)變化。制冷器的冷頭可伸入超導(dǎo)磁體杜瓦(MG)的室溫空洞中，使樣品處在均勻的磁場中，并可靈活調(diào)節(jié)樣品的位置。樣品平面垂直于入射光方向和磁場方向。超導(dǎo)磁體杜瓦(MG)由置于液氦中的超導(dǎo)線圈產(chǎn)生磁場，可產(chǎn)生0Τ-5Τ(特斯拉)范圍的磁場，方向可平行或反平行與入射光方向。磁場可掃描，掃描速率可在OT姆分鐘至IT姆分鐘范圍變化。電流源(CS)通過樣品上的兩個電極為樣品提供恒定的直流電流，將兩個電極間的電壓信號輸入第一鎖相放大器(LIAl)和第二鎖相放大器(LIA2)。第一鎖相放大器(LIAl)參考信號由斬波器(CP)提供，測量光電壓的強度；第二鎖相放大器(LIA2)參考信號頻率為光彈調(diào)制器MO頻率(50ΚΗΖ)，測量左圓光電壓和右圓光電壓強度的差值(PC-MCD)。本發(fā)明提供的磁圓ニ向色性光電導(dǎo)譜(PC-MCD)測量系統(tǒng)的核心部分是格蘭泰勒棱鏡(P)，光彈調(diào)制器MO，電流源，以及第一鎖相放大器(LIAl)和第二鎖相放大器(LIA2)。利用格蘭泰勒棱鏡(P)和光彈調(diào)制器MO對入射光進行周期性偏振調(diào)制，使它以50KHZ的頻率工作在“線偏-左圓偏振-線偏-右圓偏振-線偏”的模式，使得光生電壓以相同的頻率變化。使用電流源為樣品提供恒定直流電流，使光照產(chǎn)生附加載流子引起樣品的電阻變化，從而引起樣品電壓的變化。采用兩臺鎖相放大器(第一鎖相放大器(LIAl)和第二鎖相放大器(LIA2))即可同時測量樣品的光生電壓信號和左圓和右圓光電壓信號的差值(PC-MCD)。由于采用鎖相放大器測量該差值，提高了測量精度和信噪比，同時縮短了測量的時間。本發(fā)明提供的磁圓ニ向色性光電導(dǎo)譜(PC-MCD)測量系統(tǒng)通過運用超連續(xù)白光與單色儀配合，得到了光束質(zhì)量較好而且功率很大的，可以連續(xù)掃描波長的入射光，這對于提高信噪比很有幫助。本發(fā)明提供的本發(fā)明提供的磁圓ニ向色性光電導(dǎo)譜(PC-MCD)測量系統(tǒng)的另ー特點是制冷器的冷頭和超導(dǎo)磁體杜瓦(MG)分離，可靈活調(diào)節(jié)位于冷頭上的樣品的位置。作為ー個實例，利用本系統(tǒng)測量了 4K溫度，O. 7T磁場下一塊摻錳神化鎵(GaMnAs)樣品的磁圓ニ向色性光電導(dǎo)(PC-MCD)譜。首先利用單色儀分光之后的入射光調(diào)節(jié)光路。使得入射光照射在樣品需要測量的區(qū)域。調(diào)節(jié)格蘭泰勒棱鏡(P)的通光軸方向，使通過的光強最大。調(diào)節(jié)光彈調(diào)制器MO的快軸和慢軸，使它們與格蘭泰勒棱鏡(P)的通光軸都成45°角。打開電流源，為樣品提供恒定直流電流。打開第一鎖相放大器(LIAl)和第二鎖相放大器(LIA2)，將樣品兩端的電壓信號連接到第一鎖相放大器(LIAl)和第二鎖相放大器(LIA2)，其中第二鎖相放大器(LIA2)的參考信號接光彈調(diào)制器的一倍頻信號(50KHZ)。施加一定磁場，掃描入射波長，就可以進行磁圓ニ向色性光電導(dǎo)譜(PC-MCD)測量了。進而可以對樣品能帶結(jié)構(gòu)以及磁性質(zhì)進行分析。得到的4K溫度，O. 7T磁場下的磁圓ニ向色性光電導(dǎo)譜(PC-MCD)如圖2所示(橫坐標(biāo)為波長，縱坐標(biāo)為左圓和右圓光電壓差值)。從上述實例可以看出，本發(fā)明提供的測量系統(tǒng)確實可以測量樣品的磁圓ニ向色性光電導(dǎo)譜(PC-MCD)，從而得到樣品的能帶結(jié)構(gòu)和磁性質(zhì)。它實現(xiàn)簡單，調(diào)節(jié)方便，擁有較高信噪比，很適合作為自旋相關(guān)半導(dǎo)體材料能帶及磁性分析系統(tǒng)，在實驗室中推廣使用。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進ー步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種磁圓二向色性光電導(dǎo)譜測量系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括 一超連續(xù)白光光源(LS)，其出射光經(jīng)過單色儀后作為樣品測試光源； 一單色儀(SP)，對該超連續(xù)白光光源(LS)的出射光進行濾波，僅選擇單一波長的光通過； 一斬波器(CP)，對該單色儀(SP)出射光進行斬波調(diào)制，并為第一鎖相放大器(LIAl)提供參考信號，從而得到樣品光生電壓的強度； 一格蘭泰勒棱鏡(P)，用于將單色儀(SP)出射光變?yōu)榫€偏振光； 一光彈調(diào)制器(MO)，用于將格蘭泰勒棱鏡(P)出射的線偏光變?yōu)橹芷谛云裾{(diào)制光； 一消色差透鏡(L)，用于聚焦入射光到樣品上； 一中心帶有室溫孔洞的超導(dǎo)磁體杜瓦(MG)，提供用于光電導(dǎo)譜測量的磁場； 一電流源(CS)，為樣品提供一穩(wěn)定的直流電流； 第一鎖相放大器(LIAl)和第二鎖相放大器(LIA2),用于測量樣品光生電壓信號的對應(yīng)特定頻率的信號幅度；以及 一由計算機組成的數(shù)據(jù)處理與存儲系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磁圓二向色性光電導(dǎo)譜測量系統(tǒng)，其特征在于，所述超連續(xù)白光光源(LS)通過一個波長為1064nm的泵浦光激發(fā)一個非線性光纖，得到功率最大2w，波長范圍覆蓋450nm至1500nm的超連續(xù)白光。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磁圓二向色性光電導(dǎo)譜測量系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)利用格蘭泰勒棱鏡(P)將單色儀出射光變?yōu)榫€偏振光，利用光彈調(diào)制器(MO)將線偏光變?yōu)橹芷谛云裾{(diào)制光，利用光生電壓檢測樣品對不同偏振態(tài)光吸收的差別。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的磁圓二向色性光電導(dǎo)譜測量系統(tǒng)，其特征在于，所述光彈調(diào)制器(MO)工作在0. 25 A模式，工作頻率為50KHZ。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的磁圓二向色性光電導(dǎo)譜測量系統(tǒng)，其特征在于，所述光彈調(diào)制器(MO)的快軸與慢軸均與格蘭泰勒棱鏡的通光軸成45°角。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磁圓二向色性光電導(dǎo)譜測量系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)利用電流源(CS)為樣品提供恒定電流，利用第一鎖相放大器(LIAl)和第二鎖相放大器(LIA2)組成信號探測和處理系統(tǒng)，將樣品兩端的電壓信號輸入到第一鎖相放大器(LIAl)和第二鎖相放大器(LIA2)中，其中第一鎖相放大器(LIAl)的參考頻率為斬波器頻率，測量樣品光生電壓；第二鎖相放大器(LIA2)的參考頻率為光彈調(diào)制器頻率50KHZ，測量信號中頻率為50KHZ的成分的幅度，該幅度正比于樣品對左圓和右圓偏振光吸收的差別。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的磁圓二向色性光電導(dǎo)譜測量系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)采用兩端電壓測量法，將樣品做成長條狀，兩端做好歐姆接觸電極，通過電極通恒定電流，用鎖相放大器測量兩端電壓。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磁圓二向色性光電導(dǎo)譜測量系統(tǒng)，其特征在于，所述中心帶有室溫孔洞的超導(dǎo)磁體杜瓦(MG)中設(shè)置有一制冷器，用于控制樣品的溫度，樣品放置在該制冷器的冷頭上。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的磁圓二向色性光電導(dǎo)譜測量系統(tǒng)，其特征在于，所述超導(dǎo)磁體杜瓦(MG)與所述制冷器相互分離，放置樣品的冷頭能夠伸入超導(dǎo)磁體杜瓦(MG)的室溫孔洞中，所述超導(dǎo)磁體杜瓦(MG)用于提供0特斯拉到+5特斯拉范圍的垂直樣品表面的磁場，所述制冷器能夠使樣品溫度在4K到300K范圍變化 。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種磁圓二向色性光電導(dǎo)譜測量系統(tǒng)，包括液氦制冷機與低溫超導(dǎo)磁體系統(tǒng)、超連續(xù)白光光源、單色儀、斬波器、格蘭泰勒棱鏡、光彈調(diào)制器、消色差透鏡、電流源、兩臺鎖相放大器、以及計算機。利用本發(fā)明，可以測量磁圓二向色性光電導(dǎo)譜(PC-MCD)，從而可以進一步研究物質(zhì)的磁性質(zhì)以及與自旋相關(guān)的能帶結(jié)構(gòu)和特性。
文檔編號G01N21/19GK102680408SQ20121015027
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月15日
發(fā)明者朱匯, 王麗國, 申超, 黃學(xué)驕 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所