一种基于拓扑绝缘体的自旋极化电子源的制作方法

1.本实用新型涉及极化电子源技术领域，具体涉及一种基于拓扑绝缘体的自旋极化电子源。


背景技术：

2.电子作为一种实验探针，被广泛应用于科学研究的各个领域。随着科学理论的发展和实验技术的革新，带有自旋极化的电子束流已成为一种新型的实验探针以获取材料更独特更丰富的物理信息。
3.现有的基于砷化镓的自旋极化电子源因装置构造复杂、操作流程繁琐等因素，制约了自旋极化电子源的广泛应用。基于砷化镓的自旋极化电子源装置构造复杂在于使砷化镓激发出自旋极化电子的激光安置在砷化镓表面的法线方向上，这与出射的自旋极化电子的方向刚好相对，为方便在实验上使用自旋极化电子，需额外添加一个电子偏转器以改变自旋极化电子束流的方向。
4.砷化镓需要经过表面活化处理使尽可能多的电子从材料表面发出。表面活化处理采用铯源和氧气源在砷化镓表面镀上铯或氧化铯膜实现，如此，铯源和氧气源的存在使得装置复杂化和电子源使用流程繁琐。在进行表面活化处理前，必须对砷化镓晶体进行严格的高温热清洗以获得超洁净的表面，所以还需要设计为砷化镓晶体加温的温控模块，这也使得装置复杂化和操作流程繁琐化。
5.公开号为cn103597570b的说明书公开了一种自旋旋转装置，包括：第一聚光镜，其聚焦电子束流，该电子束流从电子枪放电出或者反射到样品上；自旋旋转器，其包括具有一个点的多级柱，电子束被第一聚光镜在透镜中心或者透镜中心附近聚焦到该点，并且该多极柱能够产生电场和磁场；wien条件产生器，其使用满足wien条件的公式表示的电压和电流，以旋转电子束流到期望的角度并且使得电子束流直接朝向组成自旋旋转器的多极柱前进；以及第二聚光镜，其将被自旋旋转器旋转自旋的电子束流聚焦。
6.公开号为cn101075015b的说明书公开了一种极化电子发射源。该种极化电子发射源通常包括电极以及位于该电极上的iii-v族化合物半导体一维纳米结构；该iii-v族化合物半导体一维纳米结构包括与电极形成电连接的第一端以及远离该电极的第二端，该第二端作为极化电子发射端，该iii-v族化合物半导体一维纳米结构的第二端开口，该iii-v族化合物半导体一维纳米结构为开口纳米管；当向该电极施加负偏压，经由磁场诱导或/和圆偏振光激发可使该一维纳米结构的第二端发射极化电子束。本发明还提供一种采用iii-v族化合物半导体一维纳米结构作为探针的自旋极化电子扫描隧道显微镜。


技术实现要素：

7.本实用新型的目的在于提供一种基于拓扑绝缘体的自旋极化电子源，其结构简单，满足高效率获得束斑较小的自旋极化电子束的实验需求。
8.一种基于拓扑绝缘体的自旋极化电子源，包括：圆偏振光生成部件、设有玻璃视窗
的真空壳体和设于真空壳体内的拓扑绝缘体及静电透镜；所述圆偏振光生成部件生成左旋或右旋的圆偏振光，所述圆偏振光通过玻璃视窗进入真空壳体内，倾斜照射于所述拓扑绝缘体的表面激发自旋极化电子，所述静电透镜的光轴与拓扑绝缘体表面圆偏振光入射点处的法线方向重合，所述自旋极化电子通过静电透镜得到自旋极化电子束。
9.拓扑绝缘体的体态是有带隙的绝缘态，带隙中存在受拓扑保护的无能隙的狄拉克锥金属表面态。处于表面态的电子的自旋和它们的动量存在相互约束的关系，即自旋-动量锁定关系。当圆偏振光生成部件生成特定能量的左旋或右旋的圆偏振光斜照射在拓扑绝缘体的晶体表面时，表面态上电子会吸收光子而逸出成为具有自旋极化的光电子。这些被激发出来的光电子的自旋取决于入射光的圆偏振性，理论上可以达到100％的自旋极化。自旋极化电子再经过静电透镜形成束斑较小和准直性较高的电子束。
10.所述圆偏振光生成部件包括依次设置的激光器、线偏振片和由步进电机控制转动的1/4相位延迟片，所述激光器产生的激光通过线偏振片和1/4相位延迟片生成左旋或右旋的圆偏振光。
11.所述圆偏振光生成部件还包括聚焦透镜，所述聚焦透镜用于对生成的左旋或右旋的圆偏振光进行细化，得到束斑较小的圆偏振光。
12.优选地，所述圆偏振光照射于拓扑绝缘体晶体表面的倾斜角度为30
°
～60
°
。
13.优选地，所述拓扑绝缘体采用bi2se3晶体、bi2te3晶体或sb2te3晶体。拓扑绝缘体的体能态为有带隙的绝缘态，而表面态为具有无带隙狄拉克锥的金属态；能带结构中费米面以下表面态覆盖的能量范围越大，则可采用的激光能量范围也越广。
14.所述真空壳体设有连接分子泵的法兰接口，所述分子泵为真空壳体内提供超高真空环境，以减少自旋极化电子与其他粒子的碰撞，有利于收集到高质量高密度的自旋极化电子束流。
15.所述真空壳体采用奥氏体304不锈钢制备。奥氏体304不锈钢具有优良的抗腐蚀性、放气率低、无磁性、焊接性好、导电率和导热率低、能够在-270～900℃工作，在高真空和超高真空系统中应用广泛。
16.相比现有技术，本实用新型的优点在于：
17.1.本实用新型采用圆偏振光激发拓扑绝缘体的自旋极化电子，故自旋极化电子源无需对拓扑绝缘体进行表面活化处理，因此无需安装铯源和氧气源，简化了装置构造并且精简了装置操作流程。
18.2.本实用新型采用圆偏振光斜照射至拓扑绝缘体，使圆偏振光与电子束流形成一定的夹角，故无需安装电子偏转器，进一步简化了自旋极化电子源装置。
附图说明
19.图1是本实用新型实施例基于拓扑绝缘体的自旋极化电子源的剖面结构示意图。
具体实施方式
20.如图1所示，基于拓扑绝缘体的自旋极化电子源，包括：圆偏振光生成部件1、真空壳体2、拓扑绝缘体3和静电透镜4。
21.圆偏振光生成部件1用于生成左旋或右旋的圆偏振光5，圆偏振光生成部件1包括
依次设置的激光器11、线偏振片12、由步进电机控制转动的1/4相位延迟片13和聚焦透镜14，激光器11产生的激光通过线偏振片12和1/4相位延迟片13生成左旋或右旋的圆偏振光5，为得到束斑较小的圆偏振光5，将生成的圆偏振光5通过聚焦透镜14进行细化。
22.真空壳体2固定有用于通过圆偏振光5的玻璃视窗15，拓扑绝缘体3设于真空壳体2内，使拓扑绝缘体3的表面法线与圆偏振光5之间的角度为50
°
。圆偏振光5通过玻璃视窗15进入真空壳体2内，以50
°
角照射于拓扑绝缘体3的表面激发处沿任意方向逃逸的自旋极化电子6。
23.真空壳体2内还固定有用于细化自旋极化电子6的静电透镜4，静电透镜4的光轴与拓扑绝缘体3表面圆偏振光5入射点处的法线方向重合，自旋极化电子6通过静电透镜得到束斑较小的自旋极化电子束7。
24.真空壳体2采用奥氏体304不锈钢制备，真空壳体2设有连接分子泵的法兰接口22，法兰接口22采用cf法兰，采用分子泵为真空壳体2内提供超高真空环境，以减少自旋极化电子6与其他粒子的碰撞，有利于高质量高密度的电子束7收集。
25.拓扑绝缘体3采用bi2se3晶体。拓扑绝缘体的体能态为有带隙的绝缘态，而表面态为具有无带隙狄拉克锥的金属态，bi2se3晶体能带结构中费米面以下的表面态覆盖的能量范围较大，可采用的激光能量范围较广。
26.拓扑绝缘体3的体态是有带隙的绝缘态，带隙中存在受拓扑保护的无能隙的狄拉克锥金属表面态。处于表面态的电子的自旋和它们的动量存在相互约束的关系，即自旋-动量锁定关系。当激光器11放出的激光依次通过线偏振片12、1/4相位延迟片13和聚焦透镜14生成特定能量的左旋或右旋的圆偏振光5，圆偏振光5照射在拓扑绝缘体3的晶体表面时，表面态上电子会吸收光子而逸出成为具有自旋极化的光电子。这些被激发出来的光电子的自旋取决于入射光的圆偏振性，理论上可以达到100％的自旋极化。自旋极化电子6再经过静电透镜形成束斑较小和准直性较高的电子束7。