基于IrMn/Fe/Pt 交換偏置結(jié)構(gòu)的無(wú)場(chǎng)自旋太赫茲源*

朱照照 馮正 蔡建旺

1) (中國(guó)科學(xué)研究院物理研究所，磁學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190)

2) (中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，物理科學(xué)學(xué)院，北京 100049)

3) (中國(guó)工程物理研究院微系統(tǒng)與太赫茲研究中心，成都 610200)

4) (中國(guó)工程物理研究院電子工程研究所，綿陽(yáng) 621999)

與目前商用的太赫茲源相比，自旋太赫茲源具有超寬頻譜、固態(tài)穩(wěn)定以及成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，這使其成為下一代太赫茲源的主要研究焦點(diǎn).但使用自旋太赫茲源時(shí)，通常需要外加磁場(chǎng)使鐵磁層的磁化強(qiáng)度飽和，才能產(chǎn)生太赫茲波，這制約了其應(yīng)用前景.基于此，本文制備了一種基于IrMn/Fe/Pt 交換偏置結(jié)構(gòu)的自旋太赫茲波發(fā)生器，通過(guò)IrMn/Fe 中的交換偏置場(chǎng)和Fe/Pt 中的超快自旋流注入與逆自旋霍爾效應(yīng)相結(jié)合，在無(wú)外加磁場(chǎng)下產(chǎn)生了強(qiáng)度可觀的太赫茲波.在IrMn 和Fe 的界面中插入超薄的Cu，可以使Fe 在厚度很薄時(shí)零場(chǎng)下實(shí)現(xiàn)飽和磁化，并且其正向飽和場(chǎng)最高可達(dá)—10 mT，從而進(jìn)一步提升無(wú)場(chǎng)下的太赫茲發(fā)射效率.零場(chǎng)下出射的太赫茲波的動(dòng)態(tài)范圍超過(guò)60 dB，達(dá)到可實(shí)用化的水平.通過(guò)旋轉(zhuǎn)樣品，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的太赫茲波的偏振方向也會(huì)隨之旋轉(zhuǎn)，并且始終沿著面內(nèi)垂直于交換偏置場(chǎng)的方向.此外，在此交換偏置結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，引入了一層自由的鐵磁金屬層Fe，設(shè)計(jì)了一種以IrMn/Fe/Pt/Fe 為核心結(jié)構(gòu)的自旋閥太赫茲源，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的太赫茲強(qiáng)度在兩層鐵磁層反平行排列時(shí)比平行排列以及不引入自由鐵磁金屬層時(shí)均大約提升了40%.結(jié)果表明，基于IrMn/Fe/Pt 結(jié)構(gòu)的自旋太赫茲信號(hào)源可在無(wú)外場(chǎng)下產(chǎn)生可觀的太赫茲信號(hào)，并且其強(qiáng)度可通過(guò)引入自由鐵磁金屬層進(jìn)一步增強(qiáng)，偏振方向也可通過(guò)旋轉(zhuǎn)樣品進(jìn)行調(diào)控，這些優(yōu)點(diǎn)使其有望在下一代太赫茲信號(hào)發(fā)生器中發(fā)揮重要的作用.

1 引言

太赫茲(THz)波是指頻率從0.1—10 THz，介于毫米波與紅外光之間的電磁波.太赫茲波具有許多獨(dú)特性質(zhì)，如透射性強(qiáng)、安全性好、光譜分辨能力強(qiáng)等，這些性質(zhì)賦予太赫茲波廣泛的應(yīng)用前景，包括太赫茲雷達(dá)和通信、光譜和成像、無(wú)損探傷、安全檢測(cè)等方面[1].由于太赫茲波具有許多重要的應(yīng)用，獲得穩(wěn)定且高性能的太赫茲源，尤其是太赫茲脈沖源，一直都是研究的重點(diǎn).目前太赫茲脈沖源主要是基于飛秒激光器驅(qū)動(dòng)，通過(guò)將飛秒激光脈沖照射到電光晶體 (如 ZnTe，GaP，LiNbO3等)、光電導(dǎo)天線或空氣等離子體等特殊介質(zhì)上，從而輻射太赫茲脈沖[2].飛秒激光脈沖驅(qū)動(dòng)電光晶體產(chǎn)生太赫茲是基于非線性的光整流效應(yīng)，此法產(chǎn)生的太赫茲強(qiáng)度可實(shí)用，但其頻譜寬度不大，且電光晶體價(jià)格昂貴.光電導(dǎo)天線是由高阻的半導(dǎo)體襯底加上兩個(gè)金屬電極構(gòu)成，兩個(gè)電極之間施加直流偏置電壓，飛秒激光脈沖照射電極之間的空隙產(chǎn)生自由電子和空穴對(duì)，它們?cè)谄秒妷旱淖饔孟滦纬蓵r(shí)間尺度為皮秒的脈沖電流，從而輻射出太赫茲脈沖，光電導(dǎo)天線產(chǎn)生的太赫茲脈沖強(qiáng)度較高，但頻譜寬度有限，且需要外加偏置電壓，價(jià)格也較高.當(dāng)高功率的飛秒激光脈沖聚焦于空氣產(chǎn)生等離子體，同樣會(huì)輻射出太赫茲脈沖，此方法產(chǎn)生的太赫茲脈沖強(qiáng)度高且頻譜寬，但需要大功率的飛秒激光器和額外的BBO 晶體，系統(tǒng)非常復(fù)雜和昂貴.

由上可知，現(xiàn)有常規(guī)的太赫茲脈沖產(chǎn)生方法都有一定的局限性.因此，發(fā)展寬頻譜、高效率、低成本、固態(tài)便攜式的太赫茲脈沖發(fā)生器，具有重大的意義.2013 年，Kampfrath 等[3]設(shè)計(jì)了一種新型太赫茲源，稱為自旋太赫茲源.與傳統(tǒng)非自旋太赫茲源相比，自旋太赫茲源利用電子自旋這一額外的自由度，在鐵磁/非磁的異質(zhì)結(jié)構(gòu)中通過(guò)自旋相關(guān)效應(yīng)產(chǎn)生了超寬帶(0—30 THz)并且偏振可以通過(guò)外磁場(chǎng)調(diào)節(jié)的太赫茲脈沖信號(hào).然而自旋太赫茲源的太赫茲產(chǎn)生效率，比商用ZnTe 晶體低約兩個(gè)數(shù)量級(jí).由于自旋太赫茲脈沖主要通過(guò)以下3 個(gè)過(guò)程來(lái)產(chǎn)生[4]:1)飛秒激光脈沖照射鐵磁/非磁異質(zhì)結(jié)構(gòu)并與之相互作用從而激發(fā)超快自旋流;2)超快自旋流從鐵磁層注入非磁層，并在非磁層中通過(guò)自旋軌道耦合轉(zhuǎn)換為瞬態(tài)電荷流;3)非磁金屬中的瞬態(tài)電荷流時(shí)間尺度為亞皮秒，并向外輻射太赫茲脈沖.所以基于這3 個(gè)過(guò)程來(lái)對(duì)自旋太赫茲源的發(fā)射效率進(jìn)行優(yōu)化.經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的嘗試和努力，研究者們對(duì)于自旋太赫茲源的光學(xué)激發(fā)性能[5，6]、超快自旋輸運(yùn)性能[4，7-9]以及太赫茲的出射性能[10-12]都進(jìn)行大幅度提升，成功將太赫茲產(chǎn)生效率及功率提升至商用太赫茲源的水平.

盡管目前基于鐵磁/非磁異質(zhì)結(jié)薄膜的自旋太赫茲源無(wú)論是在太赫茲脈沖產(chǎn)生效率、頻譜寬度還是成本等多個(gè)方面都達(dá)到了商業(yè)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn).但目前自旋太赫茲源要想產(chǎn)生太赫茲波，基本都需外加磁場(chǎng)，使鐵磁層的磁化強(qiáng)度飽和.而引入外加磁場(chǎng)發(fā)生裝置會(huì)降低自旋太赫茲源的使用便捷性，從而阻礙其應(yīng)用前景.雖然在磁性隧道結(jié)中，利用釘扎層實(shí)現(xiàn)了無(wú)需外加磁場(chǎng)的自旋太赫茲發(fā)射[13]，但其強(qiáng)度較弱，無(wú)法應(yīng)用于實(shí)際測(cè)量.因此能否設(shè)計(jì)出一種無(wú)外加磁場(chǎng)輔助、且高效實(shí)用的自旋太赫茲源就成了亟需解決的問(wèn)題.本文設(shè)計(jì)了一種基于IrMn/Fe/Pt 三層膜結(jié)構(gòu)的自旋太赫茲源，通過(guò)引入反鐵磁IrMn 層，利用其與Fe 界面的交換耦合而形成的交換偏置磁場(chǎng)[14]來(lái)取代外磁場(chǎng)，再通過(guò)Fe/Pt 中的超快自旋流注入與逆自旋霍爾效應(yīng)相結(jié)合的過(guò)程，成功在無(wú)外場(chǎng)下實(shí)現(xiàn)了太赫茲脈沖的產(chǎn)生.在IrMn 和Fe 的界面中插入超薄的Cu，可以使Fe 在厚度很薄時(shí)具有100%的剩余磁化強(qiáng)度，從而使其在無(wú)場(chǎng)下的太赫茲發(fā)射效率進(jìn)一步提升，并且其正向飽和場(chǎng)最高可達(dá)—10 mT，遠(yuǎn)高于地磁場(chǎng).零場(chǎng)下出射的太赫茲波的動(dòng)態(tài)范圍超過(guò)60 dB，已達(dá)到商用水平.此外，通過(guò)引入一層自由鐵磁金屬Fe，制備了一種基于IrMn/Fe/Pt/Fe 結(jié)構(gòu)的自旋閥自旋太赫茲源，其太赫茲發(fā)射強(qiáng)度在兩層Fe 的磁化強(qiáng)度呈反平行排列時(shí)有大幅提升.最后，設(shè)計(jì)了一個(gè)集成到太赫茲發(fā)射系統(tǒng)的樣品旋轉(zhuǎn)托，用于無(wú)外場(chǎng)下IrMn/Fe/Pt 樣品的旋轉(zhuǎn)，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的太赫茲波的偏振方向也會(huì)隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，并且始終垂直于面內(nèi)交換偏置場(chǎng)的方向，這使其有望在下一代太赫茲信號(hào)發(fā)生器中發(fā)揮重要的作用.

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本文采用直流磁控濺射方法，在(111)取向的MgO 單晶襯底上生長(zhǎng)了以Pt/IrMn/Fe/Pt 為核心結(jié)構(gòu)的多層膜，其中下層Pt 厚度固定為1.5 nm，用于誘導(dǎo)IrMn(厚度為6 nm)形成立方(111)織構(gòu);Fe 的厚度范圍在1—2.5 nm 之間;上層Pt 的厚度為1.8 nm，不僅可以將來(lái)自Fe 的超快自旋流轉(zhuǎn)化為電荷流還可以防止Fe 被氧化.濺射系統(tǒng)的背底真空小于4×10—5Pa，濺射氣壓0.35 Pa，所有金屬層的濺射速率范圍都在0.4—0.7 ?/s (1 ?=0.1 nm).為誘導(dǎo)出樣品的交換偏置場(chǎng)，所有樣品都在外加一個(gè)面內(nèi)50 mT 的偏置磁場(chǎng)下于250 ℃真空退火20 min.樣品的磁性采用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)測(cè)量.

本文采用標(biāo)準(zhǔn)的太赫茲時(shí)域光譜裝置用于產(chǎn)生和檢測(cè)太赫茲脈沖波形.所使用的飛秒激光脈沖為線偏振，脈沖寬度100 fs，中心波長(zhǎng)800 nm，重復(fù)頻率為80 MHz，照射于交換偏置結(jié)構(gòu)上的功率為900 mW.在實(shí)驗(yàn)中，為了避免襯底對(duì)于太赫茲波的吸收，飛秒激光脈沖沿z軸從樣品的襯底側(cè)垂直表面入射，如圖1(a)所示.Fe 的磁矩方向由交換偏置場(chǎng)方向確定，在這里定義為y軸.根據(jù)逆自旋霍爾效應(yīng)的關(guān)系表達(dá)式，從薄膜表面發(fā)射的太赫茲電場(chǎng)信號(hào)偏振方向沿x軸，并且通過(guò)電光采樣檢測(cè).所有測(cè)量均在室溫下進(jìn)行.此外，還配備了集成到太赫茲發(fā)射系統(tǒng)中的面內(nèi)電磁鐵(磁場(chǎng)范圍為±500 mT)以及面內(nèi)樣品旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)來(lái)研究太赫茲發(fā)射隨著外磁場(chǎng)以及樣品的角度的依賴關(guān)系.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

根據(jù)前人的研究[4]，對(duì)于結(jié)構(gòu)為鐵磁/非磁異質(zhì)結(jié)薄膜的自旋太赫茲源，太赫茲發(fā)射效率在金屬層的厚度超過(guò)一定的臨界厚度(4 nm 左右)會(huì)隨著厚度增大而大幅度衰減.但為了保證樣品的交換偏置性能，反鐵磁金屬IrMn 層厚度至少需6 nm[14]，而這就已經(jīng)超過(guò)了太赫茲信號(hào)衰減的臨界厚度，因此需要減薄其余的金屬層厚度來(lái)保證THz 的發(fā)射強(qiáng)度.圖1(b) 給出了樣品MgO(111)/Pt(1.5 nm)/IrMn(6 nm)/Fe(1.5 nm)/Pt(1.8 nm)在外場(chǎng)沿交換偏置方向上的磁滯回線.可以看出雖然樣品具有高達(dá)70 mT 的交換偏置場(chǎng)(符合交換偏置場(chǎng)隨鐵磁金屬厚度呈反比例變化的關(guān)系)，但鐵磁金屬層厚度過(guò)薄時(shí)，其缺陷也會(huì)隨之增多從而使矯頑力和飽和場(chǎng)增大.最直觀的反映就是磁化曲線發(fā)生傾斜并且在零場(chǎng)時(shí)樣品的剩余磁化強(qiáng)度無(wú)法達(dá)到100%，而由于自旋太赫茲源產(chǎn)生的太赫茲信號(hào)和鐵磁金屬的磁化強(qiáng)度成正比，因此會(huì)嚴(yán)重影響零場(chǎng)下的太赫茲發(fā)射性能.為了解決這個(gè)問(wèn)題，在IrMn和Fe 的界面上插入了0.4 nm 的Cu 分隔層來(lái)減少界面處的缺陷和局域形核點(diǎn)[15，16]，制備了MgO(111)/Pt(1.5 nm)/IrMn(6 nm)/Cu(0.4 nm)/Fe(1.5 nm)/Pt(1.8 nm)樣品，其磁化曲線如圖1(b)所示，可以看到磁化曲線的方形度得到的明顯的改善，盡管交換偏置場(chǎng)下降到了27 mT，但樣品在零場(chǎng)下剩磁比達(dá)到了100%，這為在無(wú)場(chǎng)下得到可觀的太赫茲信號(hào)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).并且考慮到樣品已經(jīng)在250 ℃下進(jìn)行過(guò)退火處理，這說(shuō)明其交換偏置場(chǎng)的截止溫度應(yīng)該高于250 ℃，因而也具有良好的熱穩(wěn)定性.

隨后對(duì)樣品進(jìn)行了太赫茲發(fā)射性能測(cè)試，圖2(a)給出了樣品MgO(111)/Pt(1.5 nm)/IrMn(6 nm)/Cu(0.4 nm)/Fe(2 nm)/Pt(1.8 nm)在外磁場(chǎng)為0 時(shí)的太赫茲電場(chǎng)波形圖，可以看出在零場(chǎng)下測(cè)量到了非常可觀的太赫茲信號(hào).為了能夠定量表示樣品的太赫茲發(fā)射強(qiáng)度，將峰-峰間的強(qiáng)度差定義為太赫茲脈沖振幅[17].圖2(b)給出了樣品的太赫茲脈沖振幅隨著外磁場(chǎng)的變化的曲線，基本和具有交換偏置Fe 的磁化翻轉(zhuǎn)行為一致，并且其太赫茲振幅的正向飽和場(chǎng)為—10 mT，遠(yuǎn)大于地磁場(chǎng)，符合真正的無(wú)場(chǎng)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn).根據(jù)自旋太赫茲波的發(fā)射理論[3]，當(dāng)飛秒脈沖激光照射到鐵磁金屬上會(huì)激發(fā)出自旋向上和向下的非平衡載流子，由于鐵磁金屬中多數(shù)和少數(shù)自旋的遷移率不同，最終會(huì)在界面處產(chǎn)生自旋極化流并且往非磁層中進(jìn)行擴(kuò)散，最后通過(guò)非磁層中的逆自旋霍爾效應(yīng)將注入的自旋流轉(zhuǎn)化為電荷流，用公式可以表示為

圖2 MgO(111)/Pt(1.5 nm)/IrMn(6 nm)/Cu(0.4 nm)/Fe(2 nm)/Pt(1.8 nm)無(wú)外場(chǎng)下的太赫茲脈沖信號(hào) (a);太赫茲脈沖振幅隨外場(chǎng)的變化關(guān)系(b);由圖(a)得到的傅里葉譜圖(c)Fig.2.THz emission signals of MgO(111)/Pt(1.5 nm)/IrMn(6 nm)/Cu(0.4 nm)/Fe(2 nm)/Pt(1.8 nm) samples without external field(a);magnetic dependence of the THz amplitude(b);Fourier spectra obtained from the data in Fig.(a) (c).

其中θSHE代表非磁層的自旋霍爾角，js代表自旋流的運(yùn)動(dòng)方向，由于js始終沿著z軸，最后產(chǎn)生的電荷流jc及產(chǎn)生的太赫茲信號(hào)就只和鐵磁金屬的磁化強(qiáng)度M有關(guān)，而這也和測(cè)量結(jié)果一致.圖2(c)為圖2(a)的傅里葉頻譜結(jié)果，由于受到激光脈沖寬度以及電光采樣ZnTe 晶體的限制，只能得到0—3 THz 的頻譜圖，但可以看到產(chǎn)生的太赫茲動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到了60 dB，基本達(dá)到商用太赫茲時(shí)域光譜儀的水平.

隨后改變了鐵磁金屬層的厚度，研究了Fe 的厚度(tFe)分別為1，1.5，2 和2.5 nm 的太赫茲脈沖振幅隨外場(chǎng)的變化關(guān)系，如圖3(a)所示.可以看出當(dāng)tFe＞ 1 nm 時(shí)，樣品在零場(chǎng)下具有相同的太赫茲脈沖振幅，并且交換偏置場(chǎng)隨著tFe的增大而逐漸減小，但正向飽和場(chǎng)在2 nm 時(shí)為最優(yōu).而當(dāng)Fe 厚度為1 nm 時(shí)，此時(shí)其形貌會(huì)發(fā)生從均勻薄膜到不均勻島狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變[18]，從而嚴(yán)重影響其磁性，導(dǎo)致無(wú)法觀測(cè)到太赫茲信號(hào).綜合考慮，認(rèn)為2 nm厚度的Fe 最有利于無(wú)場(chǎng)下的太赫茲信號(hào)產(chǎn)生.此外，還改變了Cu 分隔層和上層Pt 的厚度，發(fā)現(xiàn)樣品的太赫茲發(fā)射效率會(huì)隨著Cu 和Pt 厚度的增大而小幅增大，如圖3(b)所示.以上結(jié)果可以定性地用如下物理圖像來(lái)解釋[4]:自旋太赫茲脈沖電場(chǎng)強(qiáng)度可以近似認(rèn)為由樣品鐵磁層對(duì)飛秒激光脈沖的吸收率(P)、自旋流在非磁金屬中轉(zhuǎn)化為電荷流的效率(θSHEjs)以及電荷流轉(zhuǎn)化為電磁輻射的效率(Z)所決定，并且與PθSHEjsZ成正比.當(dāng)樣品金屬層厚度較厚時(shí)，P與Z都和非鐵磁金屬層厚度的倒數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系.從樣品結(jié)構(gòu)可知多層膜的厚度由反鐵磁IrMn 主導(dǎo)，因此適當(dāng)變化鐵磁金屬和其他非磁金屬的厚度對(duì)P和Z都影響不大.此外，當(dāng)把Fe 上層的Pt 層去除，換之以5 nm 的SiO2保護(hù)層后，發(fā)現(xiàn)樣品無(wú)法產(chǎn)生太赫茲信號(hào)，這說(shuō)明IrMn 層對(duì)于太赫茲波的產(chǎn)生是沒(méi)有貢獻(xiàn)的.由于IrMn 也具有較大的自旋霍爾角以及較高的電阻率，說(shuō)明鐵磁/反鐵磁界面不利于超快自旋流的產(chǎn)生和傳輸，而只有與Fe 相鄰的Pt 才會(huì)對(duì)θSHEjs產(chǎn)生貢獻(xiàn)，并且Pt 厚度越大，θSHEjs越大，從而產(chǎn)生的太赫茲強(qiáng)度越大.

圖3 (a) tFe=1，1.5，2 和2.5 nm 時(shí)，MgO(111)/Pt(1.5 nm)/IrMn(6 nm)/Cu(0.4 nm)/Fe(tFe nm)/Pt(1.8 nm) 樣品太赫茲脈沖振幅隨著外場(chǎng)的變化曲線;(b) tFe=1.5 nm 時(shí)，不同Cu 和Pt 厚度下其太赫茲脈沖振幅隨外場(chǎng)的變化曲線;(c) MgO(111)/Pt(1.5 nm)/IrMn(6 nm)/Cu(0.4 nm)/Fe(2.5 nm)/Pt(1.8 nm) 與MgO(111)/Fe(1.5 nm)/Pt(1.8 nm) 的太赫茲脈沖信號(hào)對(duì)比Fig.3.(a) THz amplitude as a function magnetic field for the MgO(111)/Pt(1.5 nm)/IrMn(6 nm)/Cu(0.4 nm)/Fe(tFe nm)/Pt(1.8 nm)samples，where tFe=1，1.5，2，and 2.5 nm;(b) comparison of the magnetic dependent THz amplitude in 1.5 nm Fe with different thickness of Cu and Pt;(c) effect of 6 nm IrMn layer on THz signals.

最近有研究表明[19，20]，在具有鐵磁/非磁/鐵磁結(jié)構(gòu)的自旋太赫茲源中，當(dāng)兩層鐵磁層的磁化強(qiáng)度反平行時(shí)，兩層鐵磁層同時(shí)向非磁層注入的自旋流將轉(zhuǎn)換成同向電荷流相互疊加，從而增強(qiáng)太赫茲強(qiáng)度.受到這些工作的啟發(fā)，在基于交換偏置結(jié)構(gòu)樣品的基礎(chǔ)上，上層Pt 上又生長(zhǎng)一層自由的鐵磁金屬層Fe，設(shè)計(jì)了以IrMn/Fe/Pt/Fe 為核心結(jié)構(gòu)的自旋太赫茲信號(hào)發(fā)生器.并且為了使兩層Fe 實(shí)現(xiàn)完全的脫耦，還在Fe 和Pt 的界面處插入了1 nm的Cu 分隔層，最終制備了結(jié)構(gòu)為MgO(111)/Pt(1.5 nm)/IrMn(6 nm)/Cu(0.4 nm)/Fe(1.5 nm)/Cu(1 nm)/Pt(1.8 nm)/Fe(2 nm)/SiO2(5 nm)自旋閥太赫茲信號(hào)發(fā)生器.圖3(c)給出了其產(chǎn)生的太赫茲振幅隨著外場(chǎng)的變化關(guān)系曲線，可以看出兩層Fe 的磁化翻轉(zhuǎn)曲線已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)分離，而在零場(chǎng)下當(dāng)兩層鐵磁金屬反平行排列時(shí)，其產(chǎn)生的太赫茲振幅絕對(duì)值比平行排列以及不引入自由鐵磁金屬層時(shí)均了提升40%左右.還需強(qiáng)調(diào)的是，利用和前面提到的鐵磁金屬層反平行排列可以提升太赫茲發(fā)射效率類似的原理，如果在上方Fe 層再添加一種與Pt 自旋霍爾角相反的材料(如W)，就可以在上層Pt 兩側(cè)同時(shí)注入自旋流，并且其產(chǎn)生的電荷流也可以相干疊加，從而進(jìn)一步提升無(wú)場(chǎng)下太赫茲的發(fā)射效率[4]，這也是下一步優(yōu)化的目標(biāo).

最后，將展示具有交換偏置的自旋太赫茲源在偏振調(diào)控上的巨大優(yōu)勢(shì).在通常的自旋太赫茲發(fā)射過(guò)程中，由于太赫茲脈沖偏振方向總與鐵磁金屬磁化方向垂直，如(1)式所示.因此人們往往通過(guò)施加一個(gè)足夠讓鐵磁金屬飽和磁化的可旋轉(zhuǎn)的外加磁場(chǎng)，來(lái)調(diào)控太赫茲波的偏振方向.而在這里，利用了交換偏置的等效磁場(chǎng)來(lái)取代外磁場(chǎng)，從而只需要旋轉(zhuǎn)樣品就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的偏振方向進(jìn)行調(diào)控.為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，設(shè)計(jì)了一個(gè)集成到太赫茲發(fā)射系統(tǒng)的樣品面內(nèi)旋轉(zhuǎn)托，將具有交換偏置的樣品進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，在不同的面內(nèi)轉(zhuǎn)角(φ)下測(cè)量了樣品發(fā)射的太赫茲在x和y方向上的分量，φ定義為交換偏置場(chǎng)在面內(nèi)與x軸的夾角.圖4(a)和4(b)給出了在φ=0°和=90°時(shí)太赫茲發(fā)射信號(hào)，為反映太赫茲波偏振方向的旋轉(zhuǎn)，同時(shí)測(cè)量了太赫茲波在偏振方向沿x和y方向兩個(gè)方向的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)只有極化方向沿著垂直于交換偏置的太赫茲波才能被觀測(cè)到.圖4(c)給出了兩個(gè)偏振方向的太赫茲波振幅隨著φ的變化曲線，結(jié)果可以用標(biāo)準(zhǔn)余弦函數(shù)進(jìn)行擬合，表明對(duì)于具有交換偏置場(chǎng)的自旋太赫茲源，只需簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)樣品就可以對(duì)太赫茲的偏振方向進(jìn)行調(diào)控.將x和y方向上的太赫茲分量合成為矢量，可獲得不同轉(zhuǎn)角方向下的太赫茲波形，如圖4(d)所示.從圖4(d)可以看出，旋轉(zhuǎn)樣品，出射的線偏振太赫茲波的偏振方向也會(huì)隨之旋轉(zhuǎn)，進(jìn)一步提高其實(shí)用性.

圖4 MgO(111)/Pt(1.5 nm)/IrMn(6 nm)/Cu(0.4 nm)/Fe(2 nm)/Pt(1.8 nm)在 φ=0°(a)和 φ=90°(b)時(shí)偏振方向分別沿x 和y 方向的太赫茲脈沖信號(hào);(c)太赫茲脈沖偏振方向沿x 和y 方向的分量隨 φ 的變化關(guān)系，實(shí)線代表用cos 函數(shù)進(jìn)行擬合的結(jié)果.(d)不同 φ 下，太赫茲脈沖的矢量分布示意圖Fig.4.THz emission signals with x-directional andy-directional polarization for the MgO(111)/Pt(1.5 nm)/IrMn(6 nm)/Cu(0.4 nm)/Fe(2 nm)/Pt(1.8 nm) sample at φ=0° (a) and φ=90° (b)，respectively;(c) x-directional andy-directional polarization THz pulse amplitude as a function of φ .Solid lines in (c) are fitting curves using a cosine function;(d) distribution of THz emission signals vector at different φ .

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種基于IrMn/Fe/Pt 異質(zhì)結(jié)構(gòu)的無(wú)場(chǎng)自旋太赫茲波發(fā)生器，利用反鐵磁層IrMn 與Fe 界面的交換耦合而形成的交換偏置磁場(chǎng)來(lái)取代外磁場(chǎng)，在零場(chǎng)下產(chǎn)生了可觀的太赫茲信號(hào).其出射的太赫茲波的動(dòng)態(tài)范圍超過(guò)60 dB，達(dá)到可實(shí)用化的水平.為了提高樣品在無(wú)場(chǎng)下的發(fā)射性能，可以在IrMn 和Fe 的界面中插入超薄的Cu 減小Fe的矯頑力和飽和場(chǎng)，從而使Fe 在零場(chǎng)下的剩磁比達(dá)到100%，并且其正向飽和場(chǎng)最高可達(dá)—10 mT，完全達(dá)到無(wú)場(chǎng)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn).將樣品繞著其法線方向旋轉(zhuǎn)，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的太赫茲波的偏振方向也會(huì)隨之轉(zhuǎn)動(dòng)并且始終垂直于面內(nèi)交換偏置場(chǎng)的方向.此外，通過(guò)引入一層自由鐵磁金屬Fe，制備出一種基于IrMn/Fe/Pt/Fe 結(jié)構(gòu)的自旋閥自旋太赫茲源，其太赫茲發(fā)射強(qiáng)度在兩層Fe 的磁化強(qiáng)度呈反平行排列時(shí)會(huì)有大幅提升，預(yù)估其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上還有很大優(yōu)化空間.結(jié)果表明基于IrMn/Fe/Pt 三層膜結(jié)構(gòu)的自旋太赫茲源不僅可以在無(wú)外場(chǎng)下產(chǎn)生可觀的太赫茲信號(hào)，并且偏振方向可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)樣品來(lái)進(jìn)行調(diào)控，假以時(shí)日有望在下一代太赫茲信號(hào)發(fā)生器中發(fā)揮重要的作用.