(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210955541.4 (22)申请日 2022.08.10 (71)申请人 南京航空航天大 学 地址 210016 江苏省南京市秦淮区御道街 29号 (72)发明人 刘衍朋　吴晓玥　林繁荣　 (74)专利代理 机构 江苏圣典律师事务所 32 237 专利代理师 徐晓鹭 (51)Int.Cl. G01N 21/84(2006.01) G01N 21/21(2006.01) G01N 21/01(2006.01) (54)发明名称 一种自旋和能谷极化信号的无损成像系统 及成像方法 (57)摘要 本发明公开了一种自旋和能谷极化信号的 无损成像系统， 包括XY扫描 位移台、 激光器、 光电 探测器、 若干锁相放大器和CCD相机。 通过设置微 米级高精度XY扫描位移台， 可以对所选区域进行 局部扫描， 实现器件的空间分辨成像。 本发明通 过锁相放大器接收光电流 或电压信号， 对于微弱 信号有较精确的采集结果。 本发 明集成了不同波 长的激发光， 可以随时进行激光波长的切换以满 足不同样品的所需激发光波长， 并且 可以随时拓 展集成更多波长的激发光。 本发 明将无损成像系 统应用于硫化锡晶体的测量， 发现了硫化锡晶体 的通道边缘自旋积累现象， 探究了其和器件源漏 极偏置电流的关系。 权利要求书2页 说明书6页 附图4页 CN 115436364 A 2022.12.06 CN 115436364 A 1.一种自旋和能谷极化信号的无损成像系统， 其特征在于， 包括激光器、 激发光路、 反 射光路和位移台； 其中， 位移台上设有样品托(15)用于固定样品， 样品放在样品托(15)上， 通过金线与样 品托连接， 样品托(15)通过引脚连接第一锁相放大器(12)、 第二锁相放大器(4)和源表 (11)， 分别用于 显示微小电信号、 样品反射 率信号和施加偏置电信号； 所述激光器(1)连接第一锁相放大器(12)与第二锁相放大器(4)， 为两台锁相放大器输 入参考频率； 该激光器(1)发出线偏振激光进入激发光路， 激发光路的激光照射至样品， 样 品反射该激光， 一部分反射激光直接反馈至CCD相机(6)进行显示成像， 另一部分反射激光 进入显微镜顶部光路盒中的反射光路， 在反射光路中经过分束镜、 反射镜反馈至光电探测 器(5)； 光电探测器(5)与第二锁相放大器(4)相连， 以得到样品反射信号， 以确定扫描位置 。 2.根据权利要求1所述的自旋和能谷极化信号的无损成像系统， 其特征在于， 所述激光 器(1)包括主激光器盒(18)中集成的若干子激光器及其控制器、 盒外拓展激光器(19)及其 控制器； 主激光器盒(18)与盒外拓展激光器(19)射出的线偏振激光均可进入同一激发光 路。 3.根据权利要求2所述的自旋和能谷极化信号的无损成像系统， 其特征在于， 所述主激 光器盒(18)射出的激光通过可旋转第一反射镜(22)直接进入激发光路， 其中， 拓展激光器 (19)与激发光路之间还设有斩波器(20)， 斩波器(20)与第一锁相放大器(12)相连， 控制输 入第一锁相放大器(12)的参考频率； 主激光器盒(18)中若干个子激光器通过其对应连接的 控制器， 输出不同波长的激光， 经过反射镜和分束镜的调整后从激光器盒的出光口导出， 通 过位于出光口光路下游的可旋转第一反射镜(2 2)进入激发光路。 4.根据权利要求1至3任意一项所述的自旋和能谷极化信号的无损成像系统， 其特征在 于， 所述激发光路通过反射镜改变激光传播方向和平面， 具体的， 线偏振激光从激光器(1) 射出后依次经过反射镜进入显微镜顶部光路盒， 其中， 激光器(1)与反射镜的光路中间设有 第一光阑(23)、 第二 光阑(24)， 用于对激光进行准 直。 5.根据权利要求4所述的自旋和能谷极化信号的无损成像系统， 其特征在于， 显微镜顶 部光路盒包括第四反射镜(26)和第五反射镜(28)用于改变激光方向， 同时一个四分之一玻 片(27)耦合于第四、 第五反射镜之间的光路中， 用于改变激光的偏振方向， 使激光可以从线 偏振变为椭圆偏振和圆偏振， 第五反射镜(28)反射的光线经过第一分束镜(3)和第二分束 镜(7)进入显微镜内部光路(9)。 6.根据权利要求5所述的自旋和能谷极化信号的无损成像系统， 其特征在于， 所述反射 光路为样品台被反射的激光经由显微镜内部光路和 第二分束镜(7)后于显微镜顶部光路盒 进入光电探测 器的部分， 具体的， 反射激光通过第二分束镜(7)进入显微镜顶部光路盒， 由 盒内的第一分束镜(3)分束， 并经由第六反射镜(2 9)反射进入光电探测器(5)。 7.根据权利要求6所述的自旋和能谷极化信号的无损成像系统， 其特征在于， 位移台包 括层叠设置的主扫描位移台(13)和次扫描位移台(14)， 分别对样 品位置进行粗调和细调， 所述主扫描位移台(13)置于次扫描位移台(14)的下方； 主扫描位移台(13)通过三个电机控 制x、 y、 z方向， 并与摇杆相连， 对样 品进行位置的粗调与聚焦； 次扫描位移台(14)通过控制 器与计算机相连， 在软件中可以对样品位置进行xy平面内细调， 并可以设置平面内微米级 扫描步长 。权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115436364 A 28.根据权利要求7所述的自旋和能谷极化信号的无损成像系统的成像方法， 其特征在 于， 包括以下步骤： 步骤1， 制作样品， 用金线和银胶将样品放至样品托并与样品托引脚相连， 移动主扫描 位移台和次扫描位移台， 在显微镜下找到样品的位置， 使激发光聚焦于样品表 面； 基于软件 控制次扫描位移台对样品在视野中进行微米级的移动， 将样品移动至视野中央进行点测 量， 或通过设置扫描步长和每一 点的扫描时间对样品进行面扫描测量成像； 步骤2， 通过对样品施加不同的源漏极偏置电压， 改变四分之一玻片(27)的旋转角度, 利用得到的左圆偏振光和右圆偏振光分别对样品的相同位置进行面扫描， 将两张扫描图像 相减得到样品的自旋流信号图。 9.根据权利要求8所述的一种自旋和能谷极化信号的无损成像系统的成像方法， 其特 征在于， 所述样品为具有自旋分裂能带结构的材料， 该材料产生与光偏振极化相关的光生 电信号， 在样品两端施加偏 置电流的情况下， 当圆偏振光照射到器件 上时， 左圆偏振光和右 圆偏振光产生的电子自旋方向相反， 电流诱导的面外自旋在器件相反通道边缘两端附近积 累， 改变四分之一玻片的旋转角度,利用得到的左圆偏振光和右 圆偏振光对样品的相同位 置进行扫描， 所 得扫描图像相减的结果便是样品的自旋流信号。 10.根据权利要求9所述的一种自旋和能谷极化信号的无损成像系统的成像方法， 其特 征在于， 所述样品为硫化锡晶体， 该硫化锡晶体通过物理气相沉积的方法在氧化镁基底上 生长制成， 通过对硫化锡晶体施加不同的源漏极偏置电压测得硫化锡的电信号图像和反射 率信号， 并得到硫化锡晶体的自旋流信号图。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115436364 A 3