[发明专利]一种太赫兹自旋发射器及制备方法

说明书

本发明属于太赫兹发射领域，特别涉及一种太赫兹自旋发射器及制备方法。所述发射器包括激光发射器和太赫兹自旋发射件，所述太赫兹自旋发射件包括衬底、制备在所述衬底上的纳米异质结以及覆盖在所述纳米异质结表面的金纳米材料；所述激光发射器发射的激光的波长与所述金纳米材料的共振峰相等。所述制备方法包括使用移液枪吸取水溶性金纳米材料溶液，滴加在所述纳米异质结表面上；等待水溶液自然蒸发后，制备得到所述太赫兹自旋发射件。本发明在不改变太赫兹时域光谱测量系统任何参数的情况下，进一步提升了自旋发射材料辐射太赫兹波的效率，提升效率可以达到5％～140％。

技术领域

本发明属于太赫兹发射领域，特别涉及一种增强的太赫兹自旋发射器及制备方法。

背景技术

太赫兹波通常是指0.1THz—10THz之间的电磁辐射，介于电子学与光学的过渡阶段。由于其位置的特殊性，使得太赫兹具备很多性质，比如低能性、穿透性、带宽性、相干性等。这些独特的性质使得太赫兹在国防安全、生物检测、带宽通信、无损检测、太赫兹时域光谱仪等领域具有重要的应用价值。因此研制一种廉价的、易集成的、高效的太赫兹辐射源和探测器成为近几十年的一个重要研究方向。传统的产生太赫兹辐射的方法，比如光整流、光电导天线、空气等离子体等都无法同时满足廉价、易集成、高效三个要求。太赫兹自旋发射器件以其制作价格低廉，厚度低(仅为纳米量级)，效率高(超越了传统的电光晶体(例如1mm的ZnTe(110)))的特点，成为了理想的太赫兹辐射源。

目前常用来产生太赫兹辐射的方法有光整流、光电导天线、空气等离子体，具体如下：

1)光整流是利用飞秒激光脉冲和非线性介质相互作用产生低频电极化场，然后利用低频电极化场辐射太赫兹电磁波。利用光整流产生太赫兹辐射的常用晶体包含有机晶体(ZnTe、LiNbO3等)和无机晶体(DAST、DSTMS等)，它们是桌面式太赫兹时域光谱仪(THz-TDS)常用的晶体。其中，基于LiNbO3的倾斜波前技术产生的太赫兹波能量高达1.4mJ，峰值场强达6.3MVcm-1。

2)光电导天线通常是由两端镀了金属电极的半导体材料构成，常用的半导体材料为低温生长的GaAs或InGaAs，飞秒激光辐照半导体材料产生的光生载流子在电极的作用下作加速运动，形成瞬态电流，辐射太赫兹波。光电导天线结构较为简单，易于得到较高功率和宽频带的太赫兹电磁波，使其成为商用最广泛的太赫兹辐射器件。目前利用光电导天线产生太赫兹波能量达到11uJ，峰值电场强度达到115kVcm-1。

3)空气等离子体是利用高能飞秒激光经过倍频晶体产生倍频光，将时间同步偏振一致的基频光和倍频光聚焦在空气中产生空气等离子体，然后由空气等离子体辐射出高效宽带的太赫兹电磁波。通过调控双色场的相对相位、脉冲宽度和等离子体的长度可实现对太赫兹波方位角、带宽和椭偏度的控制。目前使用双色的中红外激光产生空气等离子体可实现2.36％的太赫兹转化效率，峰值场强大于100MVcm-1。

以上三种都可以产生高效的太赫兹，但是它们都是桌面式的辐射器件，价格昂贵且难以集成，距离实现大范围商业化仍有遥远的距离。

早在2004年人们就发现利用磁性材料的超快退磁效应可以实现太赫兹的辐射，但是直接利用磁性材料的超快退磁产生太赫兹辐射效率低，无法直接应用为太赫兹辐射源。直到2013年，人们发现将铁磁(Fe)和非铁磁(Au/Ru)性金属制作成异质结，利用逆自旋霍尔效应(inverse spin Hall effect,ISHE)可以有效地把热电子层间扩散引起超快自旋流转化为面内的电荷流，大幅提高太赫兹的发射效率。由此，太赫兹自旋发射器件开始有望成为一种新的发射源。之后，人们进一步改良双层异质结材料，并在其基础上优化升级为三层异质结(W/CoFeB/Pt)。最终成功设计实现了基于自旋发射的太赫兹辐射源。在10fs激光泵浦下，不仅实现1-30THz的超宽带太赫兹波辐射，而且其发射效率可以轻松超越传统的光电导天线和非线性晶体。这使得太赫兹自旋发射器件成为目前一种高效的太赫兹辐射源。