飛秒激光泵浦LaAlO3/SrTiO3 異質結產生太赫茲波輻射*

魏高帥 張慧 吳曉君 張洪瑞 王春 王博 汪力 孫繼榮?

1)(中國科學院物理研究所,北京凝聚態物理國家研究中心,北京 100190)

2)(中國科學院大學物理科學學院,北京 100049)

3)(北京航空航天大學集成電路科學與工程學院,北京 100191)

4)(北京航空航天大學電子信息工程學院,北京 100191)

自鐵磁金屬在飛秒激光泵浦下的超快退磁效應發現以來,電子的自旋屬性逐漸被應用于太赫茲電磁波的產生.利用逆Rashba-Edelstein 效應產生太赫茲輻射首先在Ag/Bi 界面得到證實,而LaAlO3/SrTiO3 界面通過該效應產生直流的自旋-電荷轉換效率要高于Ag/Bi 界面約一個數量級,但利用該結構轉化自旋流來產生太赫茲的有效性尚待系統的研究.本文制備了NiFe/LaAlO3//SrTiO3(001)系列樣品,在飛秒激光泵浦下觀察到了太赫茲輻射的產生及其對磁場方向的依賴效應,并通過改變LaAlO3 層的厚度驗證了超擴散模型與光學傳輸模型的有效性,觀察到了在LaAlO3/SrTiO3 界面由于多次反射導致太赫茲波的減弱,為進一步優化太赫茲波的產生提供了實驗和理論支持.

1 引言

20 世紀80 年代以來[1],介于遠紅外與微波之間的太赫茲波段受到人們的關注,太赫茲科學與技術得到快速的發展.阻礙太赫茲科學與技術發展的關鍵在于缺乏高效率太赫茲輻射源、高靈敏度太赫茲探測器以及各種功能器件.其中,太赫茲源的缺乏尤為重要.隨著飛秒激光技術的快速發展,利用其泵浦低溫生長GaAs 產生亞皮秒量級壽命的光生載流子的光導天線與光整流效應產生寬帶太赫茲輻射,在實驗室得到廣泛的應用.由于半導體的聲子吸收,太赫茲的譜寬與強度受到一定限制.自1996 年Beaurepaire 等[2]利用飛秒激光在Ni 中觀察到超快退磁現象以來,通過對超快退磁機制的研究[3],與電子自旋屬性相關的超快電流被利用來產生太赫茲輻射.

利用超快自旋流產生太赫茲電磁波的一般過程為:在鐵磁金屬或半導體中用飛秒激光泵浦引起自旋流的產生,由相鄰介質通過逆自旋霍爾效應(inverse spin-Hall effect,ISHE)或逆 Rashba-Edelstein 效應(IREE)實現自旋流到電荷電流的轉換.在超快自旋流注入方面,主要有兩類:1)通過線偏振光激發,需要磁化的鐵磁材料以提供自旋極化的電子;2)通過圓偏振光激發,在非磁性材料中通過躍遷選擇定則在導帶中產生自旋極化的電子[4].線偏振光直接泵浦鐵磁金屬,亞皮秒量級的自旋流可以由超擴散方程描述,Battiato 等提出了適用于鐵磁金屬/金屬異質結[5?7]與鐵磁金屬/半導體異質結[8]的超擴散自旋輸運理論.在Au/Fe//MgO(001)[9]結構中通過泵浦Fe,利用二次諧波的磁光克爾效應在Au 層觀察到了自旋極化的載流子.在Al/Ni/Ru/Fe[10]結構中通過控制Ni,Fe 層初始磁化方向相同或相反,用飛秒激光泵浦Ni 層后,用極紫外高次諧波觀察到了Fe 層對應的磁化強度的增強和減弱.在鐵磁絕緣體金屬異質結YIG/Pt 中,通過產生的太赫茲信號來研究自旋動力學過程[11],通過擴展自旋塞貝克效應到動態尺度并結合自旋泵浦的線性響應方法來描述其自旋流的物理圖像.在GaAs//Pt 結構中[12,13],當圓偏振光斜入射到GaAs 表面時,可以激發橫向自旋的電子,進而在Pt 層測到與光的圓偏振態對應的電壓.在超快自旋流-電荷流轉化方面,可以利用重金屬的較強的ISHE 或由空間對稱性破缺導致的IREE 來實現.

阿托伐他汀鈣（ATV）是臨床上治療高膽固醇血癥、混合型高脂血癥，防治冠心病和腦卒中的常用選擇競爭性3-羥基-3-甲基戊二酸單酰輔酶A（HMG-CoA）還原酶抑制劑[1]。該藥可抑制體內膽固醇的合成，降低血清低密度脂蛋白（LDL）含量，從而達到調整體內血脂水平的目的[2]。丹紅注射液是由丹參和紅花組方制成的中藥注射劑，其主要功能為活血化瘀、通脈舒絡，常用于治療冠心病、心絞痛、心肌梗死等[3]。臨床上常采用丹紅注射液聯合ATV治療冠心病、心絞痛等，研究顯示聯合用藥后臨床療效顯著增強[4]，但兩者聯用后的藥動學研究尚未見報道。

基于ISHE 產生太赫茲電磁輻射最早是由Kampfrath 等[14]實現的.他們利用重金屬遷移率的不同,在Fe/Au 和Fe/Ru 異質結中實現了太赫茲輻射的脈寬的調控.遷移率高的金屬動力學過程越快,產生的太赫茲頻譜越寬.Huisman 等[15]在Co/Pt,Co/Ru 等結構中發現了泵浦激光的偏振態對太赫茲波的偏振態有調制效應.Seifert 等[16]設計實現了W/CoFeB/Pt 三層的優化結構,在10 fs激光脈沖的泵浦下,所得到的太赫茲輻射頻譜寬度和產生效率,均優于相同實驗條件下的ZnTe 和GaP 輻射源.

利用IREE 實現自旋流-電荷流轉化一定程度上克服了ISHE 對材料的依賴性.Sánchez 等[17]通過輸運測量首先觀察到IREE.Jungfleisch 等[18]利用Ag-Bi 界面在放大級激光器泵浦下,率先在亞皮秒尺度內利用IREE 產生了太赫茲波.Zhou等[19]利用同樣的金屬界面在振蕩級激光器作用下實現了寬帶太赫茲輻射的產生.Cheng 等[20]甚至在半導體二維材料MoS2中觀察到了IREE.但是,關于氧化物異質結在太赫茲波段的IREE 的實驗相對較少.

激光脈沖入射到分束鏡后被分成泵浦光(約90%)和探測光(約10%).泵浦光通過斬波器后再經過步進電機平移臺上的反射鏡,最后聚焦到經過拋光的STO 襯底表面.在平行于樣品表面方向加上永磁體(磁場強度約為50 mT),磁場方向為水平方向.產生的太赫茲波利用電光取樣技術對其進行相干時間分辨探測.樣品產生的太赫茲波通過90°離軸拋物面鏡準直和聚焦到ZnTe 探測晶體上.最后把探測光通過1/4 波長波片和沃拉斯頓棱鏡分成水平和豎直偏振光,再由兩個光電二極管收集后利用鎖相放大器測量兩種光的強度差.利用太赫茲電場對探測光產生的雙折射效應的大小,可以測量某時刻太赫茲電場的振幅,通過平移臺控制泵浦光的光程,即可得到產生太赫茲的時域波形.相關實驗在室溫下進行.

Lesne 等[21]利用自旋泵浦在NiFe/LaAlO3(LAO)//SrTiO3(STO)氧化物異質結體系中,觀察到了自旋流轉化的電荷流,得到的轉化效率,即逆Rashba-Edelstein 長度(λIREE)為6.4 nm,比Ag/Bi 界面的0.1—0.4 nm 和W 體材料的0.43 nm 高一個數量級,故這種體系具有較高的直流自旋流-電荷流轉化效率,但其能否用于有效產生太赫茲波有待研究.本文制備了不同LAO 厚度的NiFe/LAO//STO 材料,在飛秒激光振蕩器泵浦下,觀察到了太赫茲輻射的產生.通過分析電子的動力學過程,利用超擴散模型解釋了太赫茲信號隨LAO 層厚度的變化規律,驗證了太赫茲輻射對外加磁場方向的依賴現象.通過分析太赫茲波在樣品中的傳播特性,研究了太赫茲頻譜包含的STO 襯底材料信息.通過對該材料的深入研究,初步驗證了LAO/STO 界面在太赫茲波段將自旋流轉換為電荷流的有效性,對于太赫茲波在該結構的傳播的分析有利于進一步優化太赫茲波產生性能.

2 樣品制備

由于STO 聲子在太赫茲波段的吸收,在泵浦激光從LAO 薄膜面照射的情況下,未能觀察到可探測的太赫茲信號.而從STO 襯底入射泵浦光時,則觀察到了太赫茲輻射信號,如圖3 所示.對于4 unit cells (uc),6 uc 和10 uc 厚度LAO 的樣品,圖3(a)給出了對應的太赫茲時域波形.圖3(b)為其相應的傅里葉變換頻域譜圖.從圖3 可以看出,隨著LAO厚度的增加,輻射的太赫茲信號強度依次遞增,而中心頻率基本保持不變.

為了便于分析STO 折射率的色散對樣品輻射信號頻譜的影響,實驗測量了真空環境下的太赫茲輻射信號波形.由圖5 可見,在抽真空情況下,太赫茲信號的信噪比有了較明顯的改善,從頻譜上能夠看到1—2 THz 之間有不平坦的信號.下文將根據產生太赫茲波的原理來詳細分析頻譜包含的信息.

為研究鐵磁層超快退磁的貢獻,可以在對太赫茲波吸收小的襯底上外延生長STO 薄膜,進而利用樣品正反面反轉來確認超快退磁[22],但這樣生長的晶體不如STO 襯底質量高,界面比較復雜,容易引入氧空位.因此,本文制備了相同厚度的NiFe 在STO 襯底上,將泵浦光從襯底面入射,比較 了NiFe//STO 與NiFe/LAO(10 uc)//STO 太赫茲輻射的大小.實驗結果如圖4(b)所示,0 uc 代表NiFe//STO.從相位上分析,若相位相差180°,則可以將NiFe//STO 的太赫茲波信號產生機制歸于超快退磁,而具有LAO 層的樣品歸于IREE[23].因為實驗測得的兩者太赫茲波相位一致,故無法將具有LAO 層的樣品排除鐵磁層的超快退磁.從太赫茲信號輻射強度上分析,超快退磁的信號一般遠小于IREE[18],實驗結果顯示兩者強度相差不大,因此信號產生機制應當相同.超快退磁實驗的泵浦激光能量密度在1 mJ/cm2量級,激光單脈沖能量0.8 mJ[24],而本文實驗中通過150 mm 焦距的透鏡將直徑約3 mm 的光斑聚焦,泵浦光的單脈沖能量約4 nJ,能量密度約0.2 mJ/cm2,故退磁信號比較小,系統可能探測不到.由于STO 表面的晶格中心反演對稱性破缺,且在氬離子轟擊的STO 襯底上生長NiFe 薄膜的樣品中已經觀察到電荷流-自旋流的轉化[25],因此NiFe//STO 的信號可能來源于STO 非占據態的IREE[26],同樣NiFe/LAO//STO 的太赫茲波信號也應當來源于IREE.

為進一步驗證太赫茲輻射的產生和電子自旋的相關性,在實驗上測量了LAO 厚度為10 uc 的樣品,通過將外加磁場方向在垂直激光傳播方向的平面內旋轉180°,觀察到了太赫茲電場相位呈現180°改變,實驗結果如圖4(a)所示.紅色和黑色曲線分別對應兩種相反的外加磁場下測得的太赫茲時域譜.由圖4(a)可知,太赫茲電場反轉后的幅值基本相等,因此雖然樣品界面或表面中心反演對稱性破缺不能排除光整流效應,但該效應對太赫茲輻射的貢獻較小.圖4(a)中太赫茲電場反轉后的對稱位置偏上,應當是實驗中泵浦光在經過斬波器后在光路中有散射,該散射光的斬波頻率與太赫茲電場對探測光的調制頻率一致,但其p 波和s 波強度不同,入射到兩個光電二極管被差分后形成了太赫茲的直流信號.

圖1 (a) STO(001)襯底生長LAO 薄膜 的RHEED 振 蕩譜圖和衍射圖;(b) LAO//STO(001)薄膜形貌圖;(c) 太赫茲發射示意圖Fig.1.(a) The RHEED spectrum for the growth process of LAO on STO substrate (001),and the RHEED patterns before and after the growth of the LAO films;(b) the surface morphology of LAO//STO films;(c) the schematic diagram of the terahertz emission.

3 實驗裝置

在太赫茲輻射的產生實驗中,鈦寶石飛秒激光源的中心波長為800 nm,脈寬為70 fs,重復頻率為80 MHz,作用到樣品上的最大功率為360 mW,實驗裝置如圖2 所示.

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圖2 太赫茲輻射實驗裝置.放大的虛線框表示樣品與永磁體的關系Fig.2.Schematic diagram of terahertz radiation experimental configuration.The zoomed area shows the relations between the sample and magnetic field.

4.4 社區上門輸液安全管理模式可有效的控制社區感染 通過對上門輸液操作護士醫德和慎獨精神的教育和對護士輸液操作的規范，同時加強輸液家庭環境處置的要求，對家庭輸液產生的醫療廢棄物進行規范的處置，使用改良的上門輸液包規范攜帶藥品和一次性無菌物品降低了社區感染發生。

4 實驗結果

采用脈沖激光沉積技術(PLD)在以TiO2為終止層(001)取向的STO 單晶襯底(5 mm×5 mm×0.5 mm)上外延生長LAO 薄膜,所用襯底為雙面拋光.濺射過程中,激光的能量為2 J/cm2,頻率為1 Hz,襯底溫度保持在700 ℃,氧壓為1×10–5mbar (1 mbar=100 Pa),靶材與襯底之間的距離為5 cm.在制備薄膜的過程中,利用反射高能電子衍射(RHEED)進行實時監測,生長過程中RHEED 強度隨時間變化曲線如圖1(a)所示,該振蕩曲線表明LAO 為層狀生長,每一個振蕩周期代表一個單胞層的生長,通過RHEED振蕩可精確控制薄膜的厚度.圖1(a)中的插圖為STO 襯底生長LAO 薄膜前后的[100]方向的RHEED 衍射斑點圖.可以看到在薄膜生長前后,衍射斑點均清晰明亮,表明生長的LAO 薄膜表面平滑,接近理想晶體.

圖3 (a)不同厚度的LAO 樣品輻射的太赫茲時域波形;(b)對應的頻譜圖Fig.3.(a) Typical terahertz temporal waveforms for LAO samples with different thicknesses,and (b) the corresponding spectra.

（2）定量分析結合定性分析：對定性化文獻資料歸整，以制度工作任務轉換為調研體系維度，通過層次分析法等確定維度權重，設置公眾角度評價問卷以量化考量看法，探究各變量間內在關系與變化規律，尋找制度實施各項具體工作的滿意測度，提出優化建議。

圖4 (a)太赫茲輻射極性隨外加磁場方向的改變而反轉;(b) NiFe//STO 與NiFe/LAO (10 uc)//STO 輻射太赫茲波的大小比較Fig.4.(a) Radiated terahertz polarity reversal when varying the applied magnetic field direction;(b) comparison of the terahertz radiation between NiFe//STO and NiFe/LAO (10 uc)//STO.

式中：為0-1變量，k=1時，一定需要對刀，則時，若k子批量與k-1子批量在機床Mm加工的工序Ojils、所選刀具集相同時，機床Mm加工第k子批量前不需要對刀，即否則

圖1(b)為5 μm×5 μm 的LAO 薄膜形貌圖.薄膜呈臺階狀,階高約3.9 ?,進一步表明薄膜為層狀生長,且表面有單胞級平整度.在得到高質量外延LAO 薄膜后,利用磁控濺射技術在室溫下沉積厚度為6 nm 的NiFe 鐵磁層.濺射時本底真空優于5×10–7mbar,濺射的工作氣體為5N 的高純氬氣,工作氣壓為0.35 Pa.在金屬薄膜制備完成后,為防止薄膜被氧化,在薄膜表面濺射一層厚度為3 nm 的SiO2,起到保護作用.制備完樣品后即可通過飛秒激光入射到樣品表面,探測另一面出射的太赫茲信號,如圖1(c)所示.

圖5 真空環境下,10 uc 的LAO 太赫茲輻射時域波形(a)和對應的頻譜(b)Fig.5.(a) Emitted terahertz temporal waveform from the LAO (10 uc)//STO,and (b) its corresponding spectrum under vacuum environment.

5 機理討論

為進一步增強該體系輻射的太赫茲波,討論LAO 厚度對太赫茲輻射的影響,首先需要研究太赫茲輻射的影響因素.在文獻[21]中,注入到LAO/STO 界面的自旋流的大小由自旋泵浦中的材料特性和所激發的有效磁場有關,而在飛秒激光泵浦的條件下,采用平面波近似,忽略較薄層LAO 對太赫茲傳播的影響,頻域下太赫茲電場由波動方程來描述[16]:

其中Z0為真空阻抗,k(z,ω)為太赫茲波矢,E(z,ω)為太赫茲電場強度,c為真空中光速.超快電流jc(z,ω)與自旋流js的關系在IREE 效應中的關系為[19]

考慮LAO 厚度對太赫茲信號的影響,需研究厚度對超快電流大小與太赫茲傳播的影響.由于NiFe 費米面與STO 導帶間存在LAO 層的勢壘,包括隧穿效應的超擴散模型還沒有完全建立,因此無法直接研究厚度對超快電流大小的影響.但從載流子擴散的角度,自旋流應當隨LAO 厚度增加而指數衰減[16,27],因此與實驗中太赫茲信號的增強不符.而逆Rashba-Edelstein 長度與泵浦后電子所處的激發態有關[26],涉及到厚度對能帶結構與電子態的影響,有待進一步研究.太赫茲波在多層異質結中的傳播效應可能是引起信號增強的主要原因,對方程(1)的求解可得到太赫茲強度與樣品厚度的關系.由文獻[16]的(1)式和(5)式可知太赫茲強度正比于薄膜厚度,與實驗結果相符,但因為采用了薄膜極限近似,太赫茲強度并不是隨樣品厚度單調遞增.太赫茲頻譜與載流子電導率有關,實驗中只改變了LAO 層厚度,因此對發射太赫茲的頻譜特性沒有太大影響.由于LAO 厚度增加時,LAO/STO 界面二維電子氣厚度不超過10 nm[28],只有在此厚度內能有效地將自旋流轉化為電荷流,而界面厚度遠小于太赫茲波長0.3 mm,故不需要考慮相位匹配問題.綜上,當LAO 厚度增加時,考慮LAO 聲子吸收太赫茲輻射最終呈下降趨勢,若自旋流轉換為電荷流的效率隨厚度增加占主導則可能使太赫茲輻射隨厚度的變化出現第二個極大值.

圖5 中由于電荷電流存在于LAO/STO 界面,太赫茲波在NiFe/LAO 薄膜中經歷了多次反射,因此必然包含STO 折射率信息.而由(1)式計算的結果表明電場強度的大小也隨襯底折射率的增加而減小.其物理機制可理解為界面處的電荷電流直接向NiFe 面方向的輻射和經STO 襯底反射后的輻射疊加形成總的輻射,故所得太赫茲電場頻譜與襯底折射率色散有關.在實驗過程中,磁場沿水平方向,可知輻射太赫茲波方向為豎直方向,故為s 波,因此反射波以任意方向入射均有180°相位差,會造成輻射太赫茲波的減弱.而以p 波入射的情況下,在經過布儒斯特角后則同相,因此可以通過調整p 波的入射角來優化太赫茲源的輻射.為了驗證反相的s 波對發射太赫茲信號的減弱,實驗測量了STO 樣品對太赫茲波反射的頻譜,在40°入射的情況下以鋁鏡為參考,計算STO 的反射率,如圖6 所示.圖6 中太赫茲波的反射率的極大值間隔頻率約為0.5 THz,若將STO 襯底等效為法布里-珀羅干涉儀,折射率取19.2[29],可得干涉極大的頻率間隔為0.016 THz,因此反射率的波動不是來源于多光束干涉效應,應當來源于STO 襯底本身.可以發現,圖6 在1—1.5 THz 和1.5—2.2 THz 的波谷與圖5 相應頻段的波峰一致,即在該異質結中,反射部分的太赫茲波越弱,NiFe 面出射的太赫茲波越強.

圖6 STO 以鋁鏡為參考的反射率Fig.6.Reflectivity of STO referenced an aluminum mirror.

6 總結展望

本文制備了NiFe/LAO//STO(001)氧化物異質結,在飛秒激光振蕩器泵浦下觀察到了太赫茲輻射的產生,驗證了氧化物異質結IREE 效應在產生太赫茲輻射上的主導作用.初步觀察到了輻射太赫茲信號隨LAO 厚度的增加而增大.STO 對太赫茲輻射的反射實驗與樣品發射的太赫茲信號具有相關性,為進一步優化高折射率襯底的太赫茲源提供了實驗和理論支持.關于隧穿效應的超擴散理論與在NiFe/LAO//STO 中的光學傳輸模型需要進一步優化來指導提高太赫茲輻射效率.