基于铁磁异质结构超快电子自旋动力学的太赫兹波辐射研究

论文摘要

20世纪80年代,基于超快光子学方法的太赫兹（THz）技术诞生,引起了科学家们的广泛兴趣。尤其是在THz光谱和成像等技术被开发出来以后,THz科学和技术表现出了极大的应用前景。但是THz波在最近十多年来才受到广泛的关注,这是因为THz波段的各种光子学器件还十分缺乏,特别是低成本、微型化、芯片级的THz发射器。亟需考虑新的材料体系、新的物理起源、新的微纳器件构造理念来发展THz宽带相干光源。本文基于THz辐射光谱系统,分别研究了一层（铁磁层）、两层（铁磁层/重金属层）和三层（重金属层/铁磁层/重金属层）铁磁薄膜异质结构的THz辐射特性。以及利用简单的条纹和块状结构,有效调制异质结构辐射的THz波。具体内容概括为以下三个方面:（1）基于超快退磁效应,我们系统研究了单层半金属哈斯勒合金Co2MnSn薄膜的THz辐射特性。在800 nm的飞秒激光脉冲激发下,我们首次观测到了Co2MnSn薄膜产生的宽带THz辐射。THz辐射对样品的磁性、对称性和泵浦功率依赖关系进行系统研究,我们发现THz辐射来源于磁偶极子,光诱导的亚皮秒时间尺度的超快退磁。我们的实验结果为飞秒激光激发Co2MnSn薄膜调控载流子传输和磁有序提供了可能。（2）基于逆自旋霍尔效应,飞秒激光激发多层铁磁异质结构,我们研究了双层和三层异质结构的宽频相干THz波辐射。THz辐射主要来源于光激发瞬态电荷流,这电荷流由自旋流通过逆自旋霍尔效应转换而来。双层异质结构实验:通过设计不同的金属层（Pd或Ru）和铁磁层（CoFeB或CoFe）异质结,通过改变金属层和铁磁层的厚度,对THz辐射进行优化调制。通过泵浦功率依赖的测量,我们发现CoFeB/Pd辐射THz的饱和效应比CoFeB/Ru要小。三层异质结构实验:根据双层异质结构辐射结果,优化设计三层膜W（4 nm）/CoFeB（4 nm）/Pt（4 nm）和Ta（4nm）/CoFeB（4 nm）/Pt（4 nm）,其辐射的THz强度皆优于同等激发功率下的ZnTe（厚度0.5 mm）晶体。（3）基于电流限制效应,主要研究了经过飞秒微加工系统刻蚀的铁磁异质结构调制THz波辐射。我们发现,在条状和块状铁磁异质结构中,通过调制由逆自旋霍尔效应诱导的相干电荷流和内建瞬态准同时产生的电流,能有效调制THz波的辐射。简单地旋转条纹结构和改变块状结构长度,能够有效调制样品辐射的THz波的振幅、谱宽和中心频率。我们的研究结果能够被用来研发面向器件的光-自旋电子学器件,也能够将THz发射器拓展为THz调制器。

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文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张顺浓

导师: 金钻明

关键词: 太赫兹辐射,铁磁异质结构,超快退磁效应,逆自旋霍尔效应,电流限制效应

来源: 上海大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,物理学,无线电电子学,无线电电子学

单位: 上海大学

分类号: O441.4;TN24

DOI: 10.27300/d.cnki.gshau.2019.000424

总页数: 88

文件大小: 4363K

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