高揚 Chandan Pandey 孔德胤 王春 聶天曉5)?趙巍勝5) 苗俊剛 汪力 吳曉君?

1) (北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院, 北京 100191)

2) (北京航空航天大學(xué)微電子學(xué)院, 大數(shù)據(jù)科學(xué)與腦機(jī)智能高精尖創(chuàng)新中心, 北京 100191)

3) (中國科學(xué)院物理研究所, 北京凝聚態(tài)物理國家重點實驗室, 北京 100190)

4) (中國科學(xué)院大學(xué)物理學(xué)院, 北京 100049)

5) (北京航空航天大學(xué)青島研究所, 北航歌爾聯(lián)合微電子研究所, 青島 266000)

1 引 言

太赫茲科學(xué)與技術(shù)的研究和應(yīng)用離不開高效的太赫茲輻射源[1]. 在飛秒激光激發(fā)的太赫茲源中[2?5], 基于磁性材料的太赫茲發(fā)射器具有超寬帶、低成本、易集成等優(yōu)點[6?17], 近期受到廣泛的關(guān)注, 已成為太赫茲領(lǐng)域研究熱點. 但是, 這種新型太赫茲源的研究仍處于起步階段, 輻射機(jī)理、偏振調(diào)控、器件制備、穩(wěn)定性等仍需要進(jìn)一步更加深入地研究. 這種新型太赫茲源的基本原理是飛秒激光脈沖與鐵磁異質(zhì)結(jié)發(fā)生相互作用, 將電子激發(fā)到費米能級以上的子帶中[18], 由于自旋向上和自旋向下的電子具有不同的密度和遷移率, 因此產(chǎn)生了縱向自旋極化電流. 當(dāng)該自旋極化流到達(dá)重金屬層時, 由于逆自旋霍爾效應(yīng)[7,8], 該電流被轉(zhuǎn)換為面內(nèi)橫向電荷電流, 基于麥克斯韋輻射理論, 繼而產(chǎn)生太赫茲波輻射. 在輻射過程中, 通過在異質(zhì)結(jié)自旋發(fā)射器上使用非均勻磁場和級聯(lián)發(fā)射等方式, 可以實現(xiàn)高質(zhì)量的橢圓和圓偏振太赫茲產(chǎn)生[19,20], 并對產(chǎn)生的太赫茲波偏振實現(xiàn)調(diào)控. 不僅如此, 通過雙抽運發(fā)射技術(shù)可以實現(xiàn)對飛秒自旋電流和太赫茲輻射的相干調(diào)控, 進(jìn)而研究這個過程中的非線性自旋動力學(xué)過程[21]. 這些工作進(jìn)一步表明自旋太赫茲發(fā)射具有很豐富的物理和很好的潛在應(yīng)用價值.同時, 材料類型(特別是重金屬材料的自旋霍爾角)和幾何結(jié)構(gòu)對太赫茲波的發(fā)射性能有非常重要的影響[8]. 除此之外, 材料的制備條件也極有可能影響太赫茲波的輻射特性[11]. Sasaki等[11]證明了在鉭/鈷鐵硼/氧化鎂薄膜上, 退火效應(yīng)可以提高太赫茲波的發(fā)射強(qiáng)度. 他們提出了兩種可能的機(jī)理,一種是硼原子擴(kuò)散到鉭層中, 引起自旋霍爾角的增大以及熱電子速度弛豫長度的減小[22]; 另一種是氧化鎂層的存在, 使鈷鐵硼層結(jié)晶, 從而導(dǎo)致熱電子平均自由程增加[11]. 而這種退火效應(yīng)對太赫茲波強(qiáng)度的增強(qiáng)作用是否也可以擴(kuò)展到鎢(鉑)/鈷鐵硼異質(zhì)結(jié)體系中, 從而進(jìn)一步提升該材料體系的太赫茲輻射效率, 是本文關(guān)注的焦點, 但還沒有被人們深入研究過.

本文通過對比研究退火和未退火的鎢/鈷鐵硼、鉑/鈷鐵硼樣品產(chǎn)生太赫茲輻射的特性, 觀察到退火樣品產(chǎn)生的太赫茲波強(qiáng)度高于未退火樣品,對于鎢/鈷鐵硼材料, 增強(qiáng)因子高達(dá)3倍. 通過太赫茲時域光譜系統(tǒng)以及四探針法實驗, 對退火效應(yīng)的物理機(jī)理進(jìn)行深入研究, 證實鈷鐵硼層結(jié)晶所引起的熱電子平均自由程的增加可能是退火后太赫茲波增強(qiáng)的主要原因.

2 實驗裝置與測量結(jié)果

太赫茲波發(fā)射實驗的裝置如圖1所示. 驅(qū)動激光器采用了商用鈦: 藍(lán)寶石激光振蕩器, 產(chǎn)生中心波長為 800 nm, 脈沖寬度為 70 fs, 重復(fù)頻率為80 MHz的超快脈沖. 90%的激光功率用于抽運鐵磁異質(zhì)結(jié)樣品產(chǎn)生太赫茲波, 剩余能量用于電光采樣探測太赫茲波[23]. 從圖1可以看出, 產(chǎn)生太赫茲波的激光脈沖經(jīng)過一個透鏡(焦距為150 mm)聚焦到發(fā)射樣品上. 產(chǎn)生激光照射到樣品上的光斑直徑約為0.5 mm. 產(chǎn)生的太赫茲波經(jīng)過4個拋物面鏡的準(zhǔn)直與聚焦后, 與探測激光脈沖一起到達(dá)探測晶體碲化鋅 (厚度為 1 mm, 晶向)上. 太赫茲電磁波通過線性電光效應(yīng)誘導(dǎo)探測晶體折射率發(fā)生變化, 通過1/4波片、沃拉斯頓棱鏡和一對平衡探頭間接探測折射率的變化, 通過鎖相放大技術(shù)獲得太赫茲時域電場波形. 在這個實驗中, 我們并未對太赫茲光譜儀抽真空或充入氮氣以排除水蒸汽的影響. 所有的實驗測量均在室溫下進(jìn)行.

圖 1 實驗裝置示意圖以及樣品結(jié)構(gòu)信息 (a) 太赫茲發(fā)射實驗裝置: BD, 平衡探測器; WP, 沃拉斯頓棱鏡; λ /4 , 1/4 波片; SW,硅片; M, 鋁反射鏡; P1—P4, 90°離軸拋物面鏡; S, 樣品; (b), (c) 對 n–和 n+的定義: 抽運激光入射到玻璃基底定義為 n–, 入射異質(zhì)結(jié)薄膜定義為 n+. HM, 重金屬, 包括鎢和鉑; FM, 鐵磁性金屬, 即鈷鐵硼Fig. 1. Schematic diagram of experimental setup and sample structure information. (a) Experimental setup of the terahertz emission system. BD, balanced detector; WP, Wollaston prism; l/4, quarter wave plate; SW, silicon wafer; M, aluminum mirror; P1–P4,90° off-axis parabolic mirrors; S, sample; (b) and (c) definitions of n– and n+. When the laser pulses first incident onto the glass substrate, it is defined as n–, while the other case is defined as n+. HM, heavy metals including W and Pt; FM, ferromagnetic metal CoFeB.

我們在鈷鐵硼/重金屬的雙層樣品上進(jìn)行了太赫茲波發(fā)射實驗, 雙層樣品包括鎢(2.2)/鈷鐵硼(2.0), 鎢(4.0)/鈷鐵硼(2.2)和鉑(4.0)/鈷鐵硼(2.2),括號中的數(shù)字表示相應(yīng)材料層的厚度, 單位是nm.樣品的襯底材料是玻璃, 厚度是1 mm. 樣品是在高真空AJA濺射系統(tǒng)中制備而成, 制作過程中基本壓力為 10–9Torr (1 Torr = 1.33 × 102Pa)[24].通過優(yōu)化沉積條件來確保最佳質(zhì)量和可重復(fù)性,鎢、鈷鐵硼和鉑的生長速率分別為0.21, 0.06和0.77 ?/s. 在制備過程中, 通過均勻旋轉(zhuǎn)樣品以確保良好的均勻性. 為了進(jìn)行對比研究, 將本實驗中的所有樣本分為兩組, 分別為退火和未退火組. 退火溫度為 280 °C, 退火時間為 1 h. 在退火過程中,外部磁場設(shè)置為1 T. 在進(jìn)行太赫茲波發(fā)射實驗時,施加的靜磁場強(qiáng)度為50 mT.

圖2(a), (e)是飛秒激光照射樣品示意圖和樣品的雙層結(jié)構(gòu)圖. 圖2(b), (d)分別給出了飛秒激光脈沖入射到鎢(2.2)/鈷鐵硼(2.0)納米薄膜時,退火和未退火樣品輻射的太赫茲時域波形及其對應(yīng)的頻譜(n+)(光譜的吸收線來自水蒸氣). 在添加均勻磁場的情況下, 產(chǎn)生的主要是線偏振太赫茲波, 偏振方向與外加磁場方向垂直. 本實驗中外加磁場方向為水平方向, 因此, 產(chǎn)生的太赫茲波為線偏振, 且方向為豎直方向. 實驗結(jié)果表明, 退火效應(yīng)確實提高了太赫茲波發(fā)射強(qiáng)度. 當(dāng)抽運激光脈沖入射在n+側(cè)時, 退火和未退火樣品輻射的太赫茲波信號峰峰值之比為P+退火/P＝ 2.9. 而當(dāng)抽運激光脈沖入射在n–側(cè)時, 也可以觀察到這種增強(qiáng)行為. 在這種情況下, 如圖 2(c)所示, 退火樣品的太赫茲波強(qiáng)度是未退火樣品太赫茲波強(qiáng)度的3.2倍.

此外, 我們還觀察到了輻射的太赫茲波出現(xiàn)了極性反轉(zhuǎn)行為, 這證明了逆自旋霍爾效應(yīng)機(jī)理的方向性對稱破壞性質(zhì). 同樣, 無論抽運激光脈沖入射到樣品的n+或n–側(cè), 在鉑(4.0)/鈷鐵硼(2.2)納米薄膜都探測到了退火效應(yīng)引起的太赫茲波發(fā)射增強(qiáng) (見圖 2(f))和圖 2(g)). 對于 n+和 n–, 信號峰峰值之比分別為P+退火/P= 2.3和P–退火/P= 2.1.其中, 鎢和鉑樣品中n+和n–之間的細(xì)微差異可能是玻璃基底在光學(xué)頻率范圍和太赫茲波頻率范圍的吸收系數(shù)不同所致. 如果忽略掉這種小影響, 可以得出結(jié)論: 通過退火效應(yīng), 鎢(2.2)/鈷鐵硼(2.0)和鉑(4.0)/鈷鐵硼(2.2)納米薄膜的太赫茲波發(fā)射強(qiáng)度分別提高了3倍和2倍, 這一結(jié)果比前人研究報道使用鉭(5.0)/鈷鐵硼(1.0)/氧化鎂(2.0)異質(zhì)結(jié)的實驗結(jié)果要高出很多[11]. 在鉭(5.0)/鈷鐵硼(1.0)/氧化鎂(2.0)異質(zhì)結(jié)的太赫茲發(fā)射實驗中,采用了退火前后太赫茲信號的峰值進(jìn)行對比, 而該實驗僅獲得1.5倍的提升.

圖 2 (a), (e) 鈷鐵硼 (2.0)/鎢 (2.2)和鈷鐵硼 (2.2)/鉑 (4.0)雙層結(jié)構(gòu)示意圖; (b), (c) 退火和未退火的鈷鐵硼 (2.0)/鎢 (2.2)樣品輻射的時域太赫茲波形, 分別對應(yīng)n+和n–情況; (f), (g) 退火和未退火的鉑(4.0)/鈷鐵硼(2.2)樣品輻射的時域太赫茲波形, 分別對應(yīng)n+和n–情況; (d), (h) 退火和未退火鈷鐵硼(2.0)/鎢(2.2)、鈷鐵硼(2.2)/鉑(4.0)樣品輻射太赫茲波的頻譜Fig. 2. (a), (e) Bilayer structure diagram of CoFeB(2.0)/W(2.2) and CoFeB(2.2)/Pt(4.0); (b), (c) terahertz temporal waveforms from the CoFeB(2.0)/W(2.2) samples with and without annealing, for the cases of n+ and n–, respectively; (f), (g) terahertz temporal waveforms from the Pt(4.0)/CoFeB(2.2) samples with and without annealing, for the cases of n+ and n–, respectively; (d), (h) terahertz spectra obtained from CoFeB(2.0)/W(2.2) and CoFeB(2.2)/Pt(4.0), respectively, with and without annealing.

從圖2(d), (h)的發(fā)射頻譜上可以看出, 對于鎢(2.2)/鈷鐵硼(2.0)樣品, 退火效應(yīng)產(chǎn)生的太赫茲發(fā)射信號振幅的提升反應(yīng)在了整個輻射頻段上,而且非常明顯. 但是對于鉑(4.0)/鈷鐵硼(2.2)樣品, 由于未退火的雙層樣品產(chǎn)生的太赫茲輻射信號本身就偏弱(見圖2(f), (g)), 將時域信號轉(zhuǎn)換為頻譜信號之后, 噪聲的信號被放大, 在圖2(h)上出現(xiàn)了一些振蕩. 由于自旋太赫茲輻射的主要能量集中在 0.5—1.2 THz 之間, 對于高頻輻射信號, 退火效應(yīng)引起的提升變得不明顯.

為了消除由樣品厚度引起的干擾, 選擇了相同厚度的鎢(4.0)/鈷鐵硼 (2.2)和鉑(4.0)/鈷鐵硼(2.2)異質(zhì)結(jié)用于后續(xù)實驗. 圖3(a)給出了退火后從這兩個樣品發(fā)射的時域太赫茲波形. 可以看出,兩個樣品發(fā)射的太赫茲波相位相反, 這是由于鎢和鉑的自旋霍爾角分別為負(fù)和正導(dǎo)致[8]. 此外, 鎢/鈷鐵硼的信號比鉑/鈷鐵硼高1.9倍. 這種現(xiàn)象可能是因為鎢的自旋霍爾角大于鉑[24]. 如圖3(b)所示,當(dāng)飛秒激光脈沖入射到n–側(cè)時, 觀察到鎢(4.0)/鈷鐵硼(2.2)輻射的太赫茲波振幅是鉑(4.0)/鈷鐵硼(2.2)的 5 倍. 同樣, 在圖 3(d),(e)中, 未退火情況下, 觀察到鎢(4.0)/鈷鐵硼(2.2)輻射太赫茲波振幅比鉑(4.0)/鈷鐵硼(2.2)更大的現(xiàn)象. 這些現(xiàn)象清楚地表明, 無論是否退火, 基于鎢的太赫茲波發(fā)射器的發(fā)射強(qiáng)度始終大于基于鉑的發(fā)射器. 通過這些實驗, 我們可以排除樣品厚度帶來的干擾,且證明了在鐵磁異質(zhì)結(jié)中鎢比鉑更適合作為重金屬層, 從而帶來更大的太赫茲波發(fā)射強(qiáng)度.Seifert等[8]已有報道稱, 鎢或鉑/鈷鐵硼系統(tǒng)由于其固有的大自旋霍爾角而具有實現(xiàn)高發(fā)射效率的能力. 根據(jù)上述結(jié)果, 通過將退火效應(yīng)擴(kuò)展到這一高效的雙層體系結(jié)構(gòu)中, 實現(xiàn)了太赫茲波發(fā)射的三倍增強(qiáng).

3 討 論

圖 3 (a), (b) 當(dāng)兩個樣品都經(jīng)退火處理, 飛秒激光脈沖分別從正 (n+)和負(fù) (n–)側(cè)入射到鎢 (4.0)/鈷鐵硼 (2.2)和鉑 (4.0)/鈷鐵硼(2.2)納米薄膜上產(chǎn)生的太赫茲時域信號; (d), (e)未退火樣品的結(jié)果; (c), (f)退火和未退火的鈷鐵硼(2.2)/鎢(4.0)和鈷鐵硼(2.2)/鉑(4.0)輻射太赫茲波的頻譜Fig. 3. (a), (b) terahertz temporal waveforms in the annealed W(4.0)/CoFeB(2.2) and Pt(4.0)/CoFeB(2.2) nanofilms from the positive(n+) and negative (n–) sides, respectively; (d), (e) results from both the samples without annealing; (c), (f) terahertz spectra radiated from annealed and unannealed CoFeB(2.2)/W(4.0) and CoFeB(2.2)/Pt(4.0), respectively.

以前的報道指出, 當(dāng)提高退火溫度時, 鈷鐵硼會經(jīng)歷從非晶態(tài)到納米晶嵌入的非晶態(tài)的相變[25?27],而退火不會對晶體結(jié)構(gòu)以及鎢[28]和鉑[25]中相關(guān)的性質(zhì)產(chǎn)生顯著影響. 這種再結(jié)晶可能會提高鈷鐵硼層中太赫茲波的傳輸和自旋電流的生成, 從而增強(qiáng)退火樣品中太赫茲波的發(fā)射. 為了深入了解退火效應(yīng)對太赫茲波發(fā)射增強(qiáng)的影響, 我們隨后在樣品中可能的機(jī)理進(jìn)行了全面的分析. 第一個是在退火和未退火的鎢(4.0)/鈷鐵硼(2.2)和鉑(4.0)/鈷鐵硼(2.2)樣品上進(jìn)行太赫茲波透射實驗. 該實驗在太赫茲時域光譜儀中進(jìn)行. 這套太赫茲時域光譜儀與太赫茲發(fā)射系統(tǒng)共用飛秒激光振蕩器, 但產(chǎn)生太赫茲的輻射源采用低溫生長砷化鎵光導(dǎo)天線, 探測太赫茲波采用1 mm厚的碲化鋅晶體[29]. 在這個測量中, 太赫茲光路部分充入氮氣以消除水蒸氣的影響. 相比于未退火樣品, 經(jīng)過退火處理的兩個樣品的太赫茲波透射強(qiáng)度顯現(xiàn)出輕微并且可重復(fù)的增強(qiáng)現(xiàn)象, 見圖4(a),(b). 在鎢(4.0)/鈷鐵硼 (2.2)中, 傳輸?shù)奶掌澬盘柕膹?qiáng)度增加了1.36%, 而在鉑 (4.0)/鈷鐵硼 (2.2)中, 該數(shù)值增加了 3.75%. 以上結(jié)果表明, 退火效應(yīng)確實可以增強(qiáng)太赫茲波的透射, 進(jìn)而通過降低發(fā)射過程中材料對太赫茲波的吸收率來提高太赫茲波發(fā)射. 但是, 考慮到退火后樣品發(fā)射的太赫茲波強(qiáng)度具有2倍和3倍增大, 以上因素有可能并不是主要原因.

為了進(jìn)一步探討其中的潛在機(jī)理, 我們討論了退火對鈷鐵硼層中自旋電流產(chǎn)生的影響, 該影響可能會顯著影響太赫茲波的發(fā)射. 自旋電流通常可能與載流子的散射和薄膜的磁化強(qiáng)度有關(guān). 因此我們首先在退火和未退火情況下, 對鉑(4.0)/鈷鐵硼(2.2)、鎢(2.2)/鈷鐵硼(2.0)和鎢(4.0)/鈷鐵硼(2.2)進(jìn)行縱向磁光克爾效應(yīng)測量. 由于所有樣品在退火后均表現(xiàn)出非常相似的變化行為, 因此圖4(c)的插入圖中只展示了鉑(4.0)/鈷鐵硼(2.2)的典型結(jié)果. 退火前后的磁滯回線在矯頑力和飽和磁場方面均未觀察到差異, 這表明磁化強(qiáng)度不是退火后太赫茲波發(fā)射增強(qiáng)的主要原因.

圖 4 (a), (b) 退火和未退火狀態(tài)下, 鎢 (4.0)/鈷鐵硼 (2.2)和鉑 (4.0)/鈷鐵硼 (2.2) 樣品透射的太赫茲時域信號, 插圖為峰值放大圖; (c) 樣品電阻率的退火溫度依賴性, 插圖為樣品的磁光克爾測量結(jié)果; (d) 退火前后, 鈷鐵硼從非晶態(tài)結(jié)晶轉(zhuǎn)為結(jié)晶態(tài)的原子結(jié)構(gòu)示意圖; (e) z =zs 處, 電子密度的模擬結(jié)果, 其中電子速度 v = 0.5 nm/fsFig. 4. (a) Transmitted terahertz signals in W(4.0)/CoFeB(2.2) and (b) Pt(4.0)/CoFeB(2.2) with and without annealing. Inset: Enlarged peak values. (c) The annealing temperature dependence of the resistivity of samples. Inset: result of magneto-optic Kerr measurement of the samples. (d) Schematic diagram of the atomization of CoFeB crystallize from amorphous state to crystalline state before and after annealing. (e) The simulation results of electron density at z =zs . The electron velocity v = 0.5 nm/fs.

接下來, 通過四探針實驗測量了退火和未退火樣品的電阻率, 以揭示退火過程中載流子的散射演變. 如圖 4(c)所示, 與未退火相比, 退火后的兩個樣品的電阻率均顯著降低. 其中, 退火后鎢(2.2)/鈷鐵硼(2.0)的電阻率約降低為未退火樣品的1/20, 而鉑(4.0)/鈷鐵硼(2.2)的電阻率約降低為未退火樣品的1/5. 如前文圖2(b),(c),(f),(g)中所示, 鎢(2.2)/鈷鐵硼(2.0)在退火后, 太赫茲信號獲得約3倍增強(qiáng), 鉑(4.0)/鈷鐵硼(2.2)獲得約2倍增強(qiáng). 兩種樣品退火前后發(fā)射太赫茲信號強(qiáng)度變化與電阻率變化結(jié)果趨勢一致.

如圖4(d)所示, 鈷鐵硼傾向于從非晶態(tài)轉(zhuǎn)為結(jié)晶態(tài), 因此結(jié)晶可能導(dǎo)致由非晶態(tài)引起的原子尺度無序狀態(tài)的減少, 最終導(dǎo)致自旋晶格散射的減少[30]. 在我們的實驗中退火樣品電阻率的顯著降低也證實了這種機(jī)理, 繼而可能導(dǎo)致熱電子的平均自由程增加.

根據(jù)均勻介質(zhì)材料中的超擴(kuò)散模型[31], 第一次散射之前的電子密度為

其中S是外部源,?表示卷積,表示為

其中,τ表示電子壽命,t是時間,ts和zs是脈沖源的時間和位置,v是電子速度. 熱電子平均自由程的增加將導(dǎo)致較低的散射概率, 從而導(dǎo)致電子壽命增加, 進(jìn)而造成電子密度的增長. 圖4(e)是z=zs處電子密度的模擬結(jié)果. 假設(shè)該源是寬度為100 fs的高斯脈沖, 其峰值為 0.5 ps. 從圖 4(e)可以清楚地看到, 當(dāng)電子壽命τ從 0.1 ps增加到 1.0 ps時, 電子密度也會相應(yīng)增加. 根據(jù)電荷流與顆粒密度之間的關(guān)系

這里假設(shè)粒子速度τ恒定, 那么電荷流Jc將隨著電子密度的增大而增大, 繼而導(dǎo)致電荷流Jc輻射的太赫茲波增加, 最終導(dǎo)致更高的太赫茲波發(fā)射強(qiáng)度.

對于三層樣品鎢(2.0)/鈷鐵硼(2.2)/鉑(2.0),我們測量了退火和未退火樣品的太赫茲發(fā)射信號,但是并沒有觀察到太赫茲發(fā)射信號的明顯變化. 我們推測在鈷鐵硼/鎢(鉑)雙層結(jié)構(gòu)實驗中所使用的退火參數(shù)可能并不適用于鎢(2.0)/鈷鐵硼(2.2)/鉑(2.0)三層異質(zhì)結(jié)發(fā)射器. 三層結(jié)構(gòu)比雙層結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜, 雙層樣品中的鈷鐵硼直接生長在玻璃襯底上, 而三層樣品中的鈷鐵硼生長在兩層重金屬之間. 我們測量了退火和未退火情況下三層樣品的電阻率. 與雙層樣品電阻率在退火前后的顯著變化不同的是, 三層樣品的電阻率在退火前后并沒有明顯變化, 說明退火后三層樣品原子尺度無序并未減小, 相應(yīng)的自旋晶格散射也未降低. 這一結(jié)果與三層樣品在退火前后的太赫茲波發(fā)射信號沒有明顯變化也非常符合, 進(jìn)一步說明了退火導(dǎo)致熱電子平均自由程的增加是太赫茲發(fā)射信號強(qiáng)度增大的主要原因. 當(dāng)然, 為了進(jìn)一步闡明這個問題, 需要對三層樣品的退火條件進(jìn)行系統(tǒng)的研究, 這也是我們下一步研究的方向.

有報道顯示, 退火除了可以通過促使鈷鐵硼結(jié)晶從而抑制電子散射外, 還可以顯著增強(qiáng)異質(zhì)結(jié)界面的質(zhì)量. Zega等[32]通過對鐵/砷化鋁鎵異質(zhì)結(jié)進(jìn)行退火處理, 使異質(zhì)結(jié)中的自旋注入效率提升了44%, 并且他們使用透射電鏡在異質(zhì)結(jié)中觀察到了由于退火產(chǎn)生的有序界面, 而有序的晶格結(jié)構(gòu)會提高界面對自旋流的透射率. 因此, 本文中退火也可能導(dǎo)致鈷鐵硼層和重金屬層之間界面質(zhì)量的提升, 而界面質(zhì)量的提升進(jìn)一步增加非平衡態(tài)超快自旋流從鈷鐵硼層注入鉑或鎢層的效率, 最終提升發(fā)射太赫茲信號的強(qiáng)度.

4 結(jié) 論

本文觀察到在飛秒激光脈沖驅(qū)動下的鎢/鈷鐵硼和鉑/鈷鐵硼雙層體系結(jié)構(gòu)的磁性納米薄膜中,太赫茲波的發(fā)射強(qiáng)度提高了約3倍. 我們將信號的增強(qiáng)現(xiàn)象歸結(jié)為退火效應(yīng)引起的晶格失序的減少導(dǎo)致熱電子平均自由程的增加, 以上結(jié)論通過太赫茲波時域透射譜測量、四探針法電阻率測量和超擴(kuò)散模型的驗證.

通過這些實驗觀察和定性分析擴(kuò)展了退火效應(yīng)的應(yīng)用范圍, 以尋求最佳自旋電子太赫茲波源.此項研究不僅有助于進(jìn)一步深入了解飛秒自旋動力學(xué)的基本物理原理, 而且還為高效太赫茲源的制備提供了優(yōu)化策略.