【摘要】：20世紀(jì)80年代,基于超快光子學(xué)方法的太赫茲(THz)技術(shù)誕生,引起了科學(xué)家們的廣泛興趣。尤其是在THz光譜和成像等技術(shù)被開發(fā)出來以后,THz科學(xué)和技術(shù)表現(xiàn)出了極大的應(yīng)用前景。但是THz波在最近十多年來才受到廣泛的關(guān)注,這是因?yàn)門Hz波段的各種光子學(xué)器件還十分缺乏,特別是低成本、微型化、芯片級的THz發(fā)射器。亟需考慮新的材料體系、新的物理起源、新的微納器件構(gòu)造理念來發(fā)展THz寬帶相干光源。本文基于THz輻射光譜系統(tǒng),分別研究了一層(鐵磁層)、兩層(鐵磁層/重金屬層)和三層(重金屬層/鐵磁層/重金屬層)鐵磁薄膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)的THz輻射特性。以及利用簡單的條紋和塊狀結(jié)構(gòu),有效調(diào)制異質(zhì)結(jié)構(gòu)輻射的THz波。具體內(nèi)容概括為以下三個方面:(1)基于超快退磁效應(yīng),我們系統(tǒng)研究了單層半金屬哈斯勒合金Co_2MnSn薄膜的THz輻射特性。在800 nm的飛秒激光脈沖激發(fā)下,我們首次觀測到了Co_2MnSn薄膜產(chǎn)生的寬帶THz輻射。THz輻射對樣品的磁性、對稱性和泵浦功率依賴關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)研究,我們發(fā)現(xiàn)THz輻射來源于磁偶極子,光誘導(dǎo)的亞皮秒時間尺度的超快退磁。我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為飛秒激光激發(fā)Co_2MnSn薄膜調(diào)控載流子傳輸和磁有序提供了可能。(2)基于逆自旋霍爾效應(yīng),飛秒激光激發(fā)多層鐵磁異質(zhì)結(jié)構(gòu),我們研究了雙層和三層異質(zhì)結(jié)構(gòu)的寬頻相干THz波輻射。THz輻射主要來源于光激發(fā)瞬態(tài)電荷流,這電荷流由自旋流通過逆自旋霍爾效應(yīng)轉(zhuǎn)換而來。雙層異質(zhì)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn):通過設(shè)計不同的金屬層(Pd或Ru)和鐵磁層(CoFeB或CoFe)異質(zhì)結(jié),通過改變金屬層和鐵磁層的厚度,對THz輻射進(jìn)行優(yōu)化調(diào)制。通過泵浦功率依賴的測量,我們發(fā)現(xiàn)CoFeB/Pd輻射THz的飽和效應(yīng)比CoFeB/Ru要小。三層異質(zhì)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn):根據(jù)雙層異質(zhì)結(jié)構(gòu)輻射結(jié)果,優(yōu)化設(shè)計三層膜W(4 nm)/CoFeB(4 nm)/Pt(4 nm)和Ta(4nm)/CoFeB(4 nm)/Pt(4 nm),其輻射的THz強(qiáng)度皆優(yōu)于同等激發(fā)功率下的ZnTe(厚度0.5 mm)晶體。(3)基于電流限制效應(yīng),主要研究了經(jīng)過飛秒微加工系統(tǒng)刻蝕的鐵磁異質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)制THz波輻射。我們發(fā)現(xiàn),在條狀和塊狀鐵磁異質(zhì)結(jié)構(gòu)中,通過調(diào)制由逆自旋霍爾效應(yīng)誘導(dǎo)的相干電荷流和內(nèi)建瞬態(tài)準(zhǔn)同時產(chǎn)生的電流,能有效調(diào)制THz波的輻射。簡單地旋轉(zhuǎn)條紋結(jié)構(gòu)和改變塊狀結(jié)構(gòu)長度,能夠有效調(diào)制樣品輻射的THz波的振幅、譜寬和中心頻率。我們的研究結(jié)果能夠被用來研發(fā)面向器件的光-自旋電子學(xué)器件,也能夠?qū)Hz發(fā)射器拓展為THz調(diào)制器。
【學(xué)位授予單位】：上海大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：O441.4;TN24
【圖文】：

圖 1.2 (a) 飛秒抽運(yùn)脈沖激發(fā)磁性/非磁性金屬薄膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)射 THz 波，(磁化方向平行于 y軸，與紙面垂直)白色箭頭表示自旋向上和自旋向下電子。(b) ISHE 示意圖，自旋流 js轉(zhuǎn)化為電荷流 jc。(c) 磁化方向?yàn)檎蚝头聪驎r，F(xiàn)e/Ru 和 Fe/Au 的 THz 發(fā)射信號。(d) 將(c)中的時域電場進(jìn)行傅里葉變換后的頻譜圖。插圖為 THz 輻射能量相對于抽運(yùn)脈沖強(qiáng)度的依賴關(guān)系2016 年，T. Kampfrath 課題組[28]通過改變異質(zhì)結(jié)構(gòu)中磁性層和非磁層材料、樣品的總厚度等參數(shù)對輻射的 THz 脈沖進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 1.3(a)所示，THz脈沖的振幅強(qiáng)烈地依賴于非鐵磁層材料的選擇，Pt 和 Pd 可以獲得相對較大的 THz發(fā)射強(qiáng)度。有趣的是，選擇 W 作為非鐵磁層材料時，所獲得的 THz 強(qiáng)度與 Pd 相當(dāng)，然而 THz 脈沖的相位卻翻轉(zhuǎn)了 180°。自旋霍爾電導(dǎo)率的計算結(jié)果表明，Pd與 W 的自旋霍爾電導(dǎo)率的符號與 THz 的相位相對應(yīng)[29]。圖 1.3(b)為樣品的總厚度(鐵磁層和非鐵磁層的厚度保持大致相等)與 THz 輻射強(qiáng)度的依賴關(guān)系。如圖所示，隨著總厚度 d 從 25 nm 開始減小，THz 輻射脈沖的振幅逐漸增大，當(dāng) d=4 nm時達(dá)到一個極大值，然后迅速減小。

考慮到 THz 波的能量較低，1 THz 的光子光子能量對大部分生物細(xì)胞不構(gòu)成傷害，也不存物細(xì)胞進(jìn)行探測[41]，這樣就不會對生物組織造后 THz 技術(shù)將在醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域做出它應(yīng)有的貢。THz 脈沖的脈沖寬度在皮秒量級，可以方便、半導(dǎo)體、生物樣品等)采取時間分辨的研究方材料將獲取高信噪比的樣品信息[43]，而且具有的是高分辨率，而這對于 THz 成像技術(shù)是十分。在材料分析和檢測方面，THz 波長較長，透性，比如電介質(zhì)材料、塑料、紙箱等，利用檢驗(yàn)。同時 THz 波也不能透過金屬，因此 THz 探測器的互補(bǔ)技術(shù)運(yùn)用于機(jī)場、海關(guān)等處的安全投入商用。

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本文編號：2789484