飞秒激光泵浦LaAlO3/SrTiO3 异质结产生太赫兹波辐射*

魏高帅 张慧 吴晓君 张洪瑞 王春 王博 汪力 孙继荣‡

1)(中国科学院物理研究所,北京凝聚态物理国家研究中心,北京 100190)

2)(中国科学院大学物理科学学院,北京 100049)

3)(北京航空航天大学集成电路科学与工程学院,北京 100191)

4)(北京航空航天大学电子信息工程学院,北京 100191)

自铁磁金属在飞秒激光泵浦下的超快退磁效应发现以来,电子的自旋属性逐渐被应用于太赫兹电磁波的产生.利用逆Rashba-Edelstein 效应产生太赫兹辐射首先在Ag/Bi 界面得到证实,而LaAlO3/SrTiO3 界面通过该效应产生直流的自旋-电荷转换效率要高于Ag/Bi 界面约一个数量级,但利用该结构转化自旋流来产生太赫兹的有效性尚待系统的研究.本文制备了NiFe/LaAlO3//SrTiO3(001)系列样品,在飞秒激光泵浦下观察到了太赫兹辐射的产生及其对磁场方向的依赖效应,并通过改变LaAlO3 层的厚度验证了超扩散模型与光学传输模型的有效性,观察到了在LaAlO3/SrTiO3 界面由于多次反射导致太赫兹波的减弱,为进一步优化太赫兹波的产生提供了实验和理论支持.

1 引言

20 世纪80 年代以来[1],介于远红外与微波之间的太赫兹波段受到人们的关注,太赫兹科学与技术得到快速的发展.阻碍太赫兹科学与技术发展的关键在于缺乏高效率太赫兹辐射源、高灵敏度太赫兹探测器以及各种功能器件.其中,太赫兹源的缺乏尤为重要.随着飞秒激光技术的快速发展,利用其泵浦低温生长GaAs 产生亚皮秒量级寿命的光生载流子的光导天线与光整流效应产生宽带太赫兹辐射,在实验室得到广泛的应用.由于半导体的声子吸收,太赫兹的谱宽与强度受到一定限制.自1996 年Beaurepaire 等[2]利用飞秒激光在Ni 中观察到超快退磁现象以来,通过对超快退磁机制的研究[3],与电子自旋属性相关的超快电流被利用来产生太赫兹辐射.

利用超快自旋流产生太赫兹电磁波的一般过程为:在铁磁金属或半导体中用飞秒激光泵浦引起自旋流的产生,由相邻介质通过逆自旋霍尔效应(inverse spin-Hall effect,ISHE)或逆 Rashba-Edelstein 效应(IREE)实现自旋流到电荷电流的转换.在超快自旋流注入方面,主要有两类:1)通过线偏振光激发,需要磁化的铁磁材料以提供自旋极化的电子;2)通过圆偏振光激发,在非磁性材料中通过跃迁选择定则在导带中产生自旋极化的电子[4].线偏振光直接泵浦铁磁金属,亚皮秒量级的自旋流可以由超扩散方程描述,Battiato 等提出了适用于铁磁金属/金属异质结[5−7]与铁磁金属/半导体异质结[8]的超扩散自旋输运理论.在Au/Fe//MgO(001)[9]结构中通过泵浦Fe,利用二次谐波的磁光克尔效应在Au 层观察到了自旋极化的载流子.在Al/Ni/Ru/Fe[10]结构中通过控制Ni,Fe 层初始磁化方向相同或相反,用飞秒激光泵浦Ni 层后,用极紫外高次谐波观察到了Fe 层对应的磁化强度的增强和减弱.在铁磁绝缘体金属异质结YIG/Pt 中,通过产生的太赫兹信号来研究自旋动力学过程[11],通过扩展自旋塞贝克效应到动态尺度并结合自旋泵浦的线性响应方法来描述其自旋流的物理图像.在GaAs//Pt 结构中[12,13],当圆偏振光斜入射到GaAs 表面时,可以激发横向自旋的电子,进而在Pt 层测到与光的圆偏振态对应的电压.在超快自旋流-电荷流转化方面,可以利用重金属的较强的ISHE 或由空间对称性破缺导致的IREE 来实现.

阿托伐他汀钙（ATV）是临床上治疗高胆固醇血症、混合型高脂血症，防治冠心病和脑卒中的常用选择竞争性3-羟基-3-甲基戊二酸单酰辅酶A（HMG-CoA）还原酶抑制剂[1]。该药可抑制体内胆固醇的合成，降低血清低密度脂蛋白（LDL）含量，从而达到调整体内血脂水平的目的[2]。丹红注射液是由丹参和红花组方制成的中药注射剂，其主要功能为活血化瘀、通脉舒络，常用于治疗冠心病、心绞痛、心肌梗死等[3]。临床上常采用丹红注射液联合ATV治疗冠心病、心绞痛等，研究显示联合用药后临床疗效显著增强[4]，但两者联用后的药动学研究尚未见报道。

基于ISHE 产生太赫兹电磁辐射最早是由Kampfrath 等[14]实现的.他们利用重金属迁移率的不同,在Fe/Au 和Fe/Ru 异质结中实现了太赫兹辐射的脉宽的调控.迁移率高的金属动力学过程越快,产生的太赫兹频谱越宽.Huisman 等[15]在Co/Pt,Co/Ru 等结构中发现了泵浦激光的偏振态对太赫兹波的偏振态有调制效应.Seifert 等[16]设计实现了W/CoFeB/Pt 三层的优化结构,在10 fs激光脉冲的泵浦下,所得到的太赫兹辐射频谱宽度和产生效率,均优于相同实验条件下的ZnTe 和GaP 辐射源.

利用IREE 实现自旋流-电荷流转化一定程度上克服了ISHE 对材料的依赖性.Sánchez 等[17]通过输运测量首先观察到IREE.Jungfleisch 等[18]利用Ag-Bi 界面在放大级激光器泵浦下,率先在亚皮秒尺度内利用IREE 产生了太赫兹波.Zhou等[19]利用同样的金属界面在振荡级激光器作用下实现了宽带太赫兹辐射的产生.Cheng 等[20]甚至在半导体二维材料MoS2中观察到了IREE.但是,关于氧化物异质结在太赫兹波段的IREE 的实验相对较少.

激光脉冲入射到分束镜后被分成泵浦光(约90%)和探测光(约10%).泵浦光通过斩波器后再经过步进电机平移台上的反射镜,最后聚焦到经过抛光的STO 衬底表面.在平行于样品表面方向加上永磁体(磁场强度约为50 mT),磁场方向为水平方向.产生的太赫兹波利用电光取样技术对其进行相干时间分辨探测.样品产生的太赫兹波通过90°离轴抛物面镜准直和聚焦到ZnTe 探测晶体上.最后把探测光通过1/4 波长波片和沃拉斯顿棱镜分成水平和竖直偏振光,再由两个光电二极管收集后利用锁相放大器测量两种光的强度差.利用太赫兹电场对探测光产生的双折射效应的大小,可以测量某时刻太赫兹电场的振幅,通过平移台控制泵浦光的光程,即可得到产生太赫兹的时域波形.相关实验在室温下进行.

Lesne 等[21]利用自旋泵浦在NiFe/LaAlO3(LAO)//SrTiO3(STO)氧化物异质结体系中,观察到了自旋流转化的电荷流,得到的转化效率,即逆Rashba-Edelstein 长度(λIREE)为6.4 nm,比Ag/Bi 界面的0.1—0.4 nm 和W 体材料的0.43 nm 高一个数量级,故这种体系具有较高的直流自旋流-电荷流转化效率,但其能否用于有效产生太赫兹波有待研究.本文制备了不同LAO 厚度的NiFe/LAO//STO 材料,在飞秒激光振荡器泵浦下,观察到了太赫兹辐射的产生.通过分析电子的动力学过程,利用超扩散模型解释了太赫兹信号随LAO 层厚度的变化规律,验证了太赫兹辐射对外加磁场方向的依赖现象.通过分析太赫兹波在样品中的传播特性,研究了太赫兹频谱包含的STO 衬底材料信息.通过对该材料的深入研究,初步验证了LAO/STO 界面在太赫兹波段将自旋流转换为电荷流的有效性,对于太赫兹波在该结构的传播的分析有利于进一步优化太赫兹波产生性能.

2 样品制备

由于STO 声子在太赫兹波段的吸收,在泵浦激光从LAO 薄膜面照射的情况下,未能观察到可探测的太赫兹信号.而从STO 衬底入射泵浦光时,则观察到了太赫兹辐射信号,如图3 所示.对于4 unit cells (uc),6 uc 和10 uc 厚度LAO 的样品,图3(a)给出了对应的太赫兹时域波形.图3(b)为其相应的傅里叶变换频域谱图.从图3 可以看出,随着LAO厚度的增加,辐射的太赫兹信号强度依次递增,而中心频率基本保持不变.

为了便于分析STO 折射率的色散对样品辐射信号频谱的影响,实验测量了真空环境下的太赫兹辐射信号波形.由图5 可见,在抽真空情况下,太赫兹信号的信噪比有了较明显的改善,从频谱上能够看到1—2 THz 之间有不平坦的信号.下文将根据产生太赫兹波的原理来详细分析频谱包含的信息.

为研究铁磁层超快退磁的贡献,可以在对太赫兹波吸收小的衬底上外延生长STO 薄膜,进而利用样品正反面反转来确认超快退磁[22],但这样生长的晶体不如STO 衬底质量高,界面比较复杂,容易引入氧空位.因此,本文制备了相同厚度的NiFe 在STO 衬底上,将泵浦光从衬底面入射,比较 了NiFe//STO 与NiFe/LAO(10 uc)//STO 太赫兹辐射的大小.实验结果如图4(b)所示,0 uc 代表NiFe//STO.从相位上分析,若相位相差180°,则可以将NiFe//STO 的太赫兹波信号产生机制归于超快退磁,而具有LAO 层的样品归于IREE[23].因为实验测得的两者太赫兹波相位一致,故无法将具有LAO 层的样品排除铁磁层的超快退磁.从太赫兹信号辐射强度上分析,超快退磁的信号一般远小于IREE[18],实验结果显示两者强度相差不大,因此信号产生机制应当相同.超快退磁实验的泵浦激光能量密度在1 mJ/cm2量级,激光单脉冲能量0.8 mJ[24],而本文实验中通过150 mm 焦距的透镜将直径约3 mm 的光斑聚焦,泵浦光的单脉冲能量约4 nJ,能量密度约0.2 mJ/cm2,故退磁信号比较小,系统可能探测不到.由于STO 表面的晶格中心反演对称性破缺,且在氩离子轰击的STO 衬底上生长NiFe 薄膜的样品中已经观察到电荷流-自旋流的转化[25],因此NiFe//STO 的信号可能来源于STO 非占据态的IREE[26],同样NiFe/LAO//STO 的太赫兹波信号也应当来源于IREE.

为进一步验证太赫兹辐射的产生和电子自旋的相关性,在实验上测量了LAO 厚度为10 uc 的样品,通过将外加磁场方向在垂直激光传播方向的平面内旋转180°,观察到了太赫兹电场相位呈现180°改变,实验结果如图4(a)所示.红色和黑色曲线分别对应两种相反的外加磁场下测得的太赫兹时域谱.由图4(a)可知,太赫兹电场反转后的幅值基本相等,因此虽然样品界面或表面中心反演对称性破缺不能排除光整流效应,但该效应对太赫兹辐射的贡献较小.图4(a)中太赫兹电场反转后的对称位置偏上,应当是实验中泵浦光在经过斩波器后在光路中有散射,该散射光的斩波频率与太赫兹电场对探测光的调制频率一致,但其p 波和s 波强度不同,入射到两个光电二极管被差分后形成了太赫兹的直流信号.

图1 (a) STO(001)衬底生长LAO 薄膜 的RHEED 振 荡谱图和衍射图;(b) LAO//STO(001)薄膜形貌图;(c) 太赫兹发射示意图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 实验装置

在太赫兹辐射的产生实验中,钛宝石飞秒激光源的中心波长为800 nm,脉宽为70 fs,重复频率为80 MHz,作用到样品上的最大功率为360 mW,实验装置如图2 所示.

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图2 太赫兹辐射实验装置.放大的虚线框表示样品与永磁体的关系Fig.2.Schematic diagram of terahertz radiation experimental configuration.The zoomed area shows the relations between the sample and magnetic field.

4.4 社区上门输液安全管理模式可有效的控制社区感染 通过对上门输液操作护士医德和慎独精神的教育和对护士输液操作的规范，同时加强输液家庭环境处置的要求，对家庭输液产生的医疗废弃物进行规范的处置，使用改良的上门输液包规范携带药品和一次性无菌物品降低了社区感染发生。

4 实验结果

采用脉冲激光沉积技术(PLD)在以TiO2为终止层(001)取向的STO 单晶衬底(5 mm×5 mm×0.5 mm)上外延生长LAO 薄膜,所用衬底为双面抛光.溅射过程中,激光的能量为2 J/cm2,频率为1 Hz,衬底温度保持在700 ℃,氧压为1×10–5mbar (1 mbar=100 Pa),靶材与衬底之间的距离为5 cm.在制备薄膜的过程中,利用反射高能电子衍射(RHEED)进行实时监测,生长过程中RHEED 强度随时间变化曲线如图1(a)所示,该振荡曲线表明LAO 为层状生长,每一个振荡周期代表一个单胞层的生长,通过RHEED振荡可精确控制薄膜的厚度.图1(a)中的插图为STO 衬底生长LAO 薄膜前后的[100]方向的RHEED 衍射斑点图.可以看到在薄膜生长前后,衍射斑点均清晰明亮,表明生长的LAO 薄膜表面平滑,接近理想晶体.

图3 (a)不同厚度的LAO 样品辐射的太赫兹时域波形;(b)对应的频谱图Fig.3.(a) Typical terahertz temporal waveforms for LAO samples with different thicknesses,and (b) the corresponding spectra.

（2）定量分析结合定性分析：对定性化文献资料归整，以制度工作任务转换为调研体系维度，通过层次分析法等确定维度权重，设置公众角度评价问卷以量化考量看法，探究各变量间内在关系与变化规律，寻找制度实施各项具体工作的满意测度，提出优化建议。

图4 (a)太赫兹辐射极性随外加磁场方向的改变而反转;(b) NiFe//STO 与NiFe/LAO (10 uc)//STO 辐射太赫兹波的大小比较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：为0-1变量，k=1时，一定需要对刀，则时，若k子批量与k-1子批量在机床Mm加工的工序Ojils、所选刀具集相同时，机床Mm加工第k子批量前不需要对刀，即否则

图1(b)为5 µm×5 µm 的LAO 薄膜形貌图.薄膜呈台阶状,阶高约3.9 Å,进一步表明薄膜为层状生长,且表面有单胞级平整度.在得到高质量外延LAO 薄膜后,利用磁控溅射技术在室温下沉积厚度为6 nm 的NiFe 铁磁层.溅射时本底真空优于5×10–7mbar,溅射的工作气体为5N 的高纯氩气,工作气压为0.35 Pa.在金属薄膜制备完成后,为防止薄膜被氧化,在薄膜表面溅射一层厚度为3 nm 的SiO2,起到保护作用.制备完样品后即可通过飞秒激光入射到样品表面,探测另一面出射的太赫兹信号,如图1(c)所示.

图5 真空环境下,10 uc 的LAO 太赫兹辐射时域波形(a)和对应的频谱(b)Fig.5.(a) Emitted terahertz temporal waveform from the LAO (10 uc)//STO,and (b) its corresponding spectrum under vacuum environment.

5 机理讨论

为进一步增强该体系辐射的太赫兹波,讨论LAO 厚度对太赫兹辐射的影响,首先需要研究太赫兹辐射的影响因素.在文献[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发的有效磁场有关,而在飞秒激光泵浦的条件下,采用平面波近似,忽略较薄层LAO 对太赫兹传播的影响,频域下太赫兹电场由波动方程来描述[16]:

其中Z0为真空阻抗,k(z,ω)为太赫兹波矢,E(z,ω)为太赫兹电场强度,c为真空中光速.超快电流jc(z,ω)与自旋流js的关系在IREE 效应中的关系为[19]

考虑LAO 厚度对太赫兹信号的影响,需研究厚度对超快电流大小与太赫兹传播的影响.由于NiFe 费米面与STO 导带间存在LAO 层的势垒,包括隧穿效应的超扩散模型还没有完全建立,因此无法直接研究厚度对超快电流大小的影响.但从载流子扩散的角度,自旋流应当随LAO 厚度增加而指数衰减[16,27],因此与实验中太赫兹信号的增强不符.而逆Rashba-Edelstein 长度与泵浦后电子所处的激发态有关[26],涉及到厚度对能带结构与电子态的影响,有待进一步研究.太赫兹波在多层异质结中的传播效应可能是引起信号增强的主要原因,对方程(1)的求解可得到太赫兹强度与样品厚度的关系.由文献[16]的(1)式和(5)式可知太赫兹强度正比于薄膜厚度,与实验结果相符,但因为采用了薄膜极限近似,太赫兹强度并不是随样品厚度单调递增.太赫兹频谱与载流子电导率有关,实验中只改变了LAO 层厚度,因此对发射太赫兹的频谱特性没有太大影响.由于LAO 厚度增加时,LAO/STO 界面二维电子气厚度不超过10 nm[28],只有在此厚度内能有效地将自旋流转化为电荷流,而界面厚度远小于太赫兹波长0.3 mm,故不需要考虑相位匹配问题.综上,当LAO 厚度增加时,考虑LAO 声子吸收太赫兹辐射最终呈下降趋势,若自旋流转换为电荷流的效率随厚度增加占主导则可能使太赫兹辐射随厚度的变化出现第二个极大值.

图5 中由于电荷电流存在于LAO/STO 界面,太赫兹波在NiFe/LAO 薄膜中经历了多次反射,因此必然包含STO 折射率信息.而由(1)式计算的结果表明电场强度的大小也随衬底折射率的增加而减小.其物理机制可理解为界面处的电荷电流直接向NiFe 面方向的辐射和经STO 衬底反射后的辐射叠加形成总的辐射,故所得太赫兹电场频谱与衬底折射率色散有关.在实验过程中,磁场沿水平方向,可知辐射太赫兹波方向为竖直方向,故为s 波,因此反射波以任意方向入射均有180°相位差,会造成辐射太赫兹波的减弱.而以p 波入射的情况下,在经过布儒斯特角后则同相,因此可以通过调整p 波的入射角来优化太赫兹源的辐射.为了验证反相的s 波对发射太赫兹信号的减弱,实验测量了STO 样品对太赫兹波反射的频谱,在40°入射的情况下以铝镜为参考,计算STO 的反射率,如图6 所示.图6 中太赫兹波的反射率的极大值间隔频率约为0.5 THz,若将STO 衬底等效为法布里-珀罗干涉仪,折射率取19.2[29],可得干涉极大的频率间隔为0.016 THz,因此反射率的波动不是来源于多光束干涉效应,应当来源于STO 衬底本身.可以发现,图6 在1—1.5 THz 和1.5—2.2 THz 的波谷与图5 相应频段的波峰一致,即在该异质结中,反射部分的太赫兹波越弱,NiFe 面出射的太赫兹波越强.

图6 STO 以铝镜为参考的反射率Fig.6.Reflectivity of STO referenced an aluminum mirror.

6 总结展望

本文制备了NiFe/LAO//STO(001)氧化物异质结,在飞秒激光振荡器泵浦下观察到了太赫兹辐射的产生,验证了氧化物异质结IREE 效应在产生太赫兹辐射上的主导作用.初步观察到了辐射太赫兹信号随LAO 厚度的增加而增大.STO 对太赫兹辐射的反射实验与样品发射的太赫兹信号具有相关性,为进一步优化高折射率衬底的太赫兹源提供了实验和理论支持.关于隧穿效应的超扩散理论与在NiFe/LAO//STO 中的光学传输模型需要进一步优化来指导提高太赫兹辐射效率.