SE536362C2 - Spinnfilter och detektor innefattande sådan - Google Patents

Abstract

Spinnfilter för detektering av spinnmoment hos elektroner, kännetecknat av att spinnfiltret (1)innefattar ett substrat (10) försett med minst ett membranskikt (12) med en första yta (11) medett flertal stödstrukturer (12n) för tunnfilm, där stödstrukturerna (12n) för tunnfilm innefattar enmagnetisk tunnfilm (14) för transmission av elektroner (e-). FIG. 1

Description

25 30 535 352 Kortfattad beskrivning av uppfinningen Enligt en aspekt, tillhandahåller uppfinningen ett spinnfilter som är baserat på ett membranskikt med stödstrukturer för tunnfilm överdragna med, eller försedda med magnetisk(a) tunnfilm(er), i det följande betecknade porer. Typiskt är stödstrukturerna för tunnfilm smà hål, eller porer, men även andra stödstrukturer för tunnfilm såsom ett fint nät eller liknande kan användas istället.

I detta sammanhang betyder termen ”por” ett hål överdraget med en magnetisk tunnfilm, eller en hålstruktur som innefattar en magnetisk tunnfilm. Termen ”por” inkluderar även alla andra typer av kaviteter av alla former, som kan uppbära tunnfilmen så att filmen kan vara tillräckligt tunn för överföring av elektroner, men hindra andra komponenter frän att överföras. l detta sammanhang betyder termen "spinfiltermembranskikt" ett skikt med en eller flera stödstrukturer för tunnfilm, vilka innefattar små hål, där varje hål är täckt av eller försett med ett magnetiskt tunnfilmskikt. Varje hål eller hålstruktur som innefattar ett magnetiskt tunnfilmsskikt, som även betecknas en så kallad por kan även ses som en stödstruktur för tunnfilm i sig som är iform av en långsträckt hålstruktur liknande ett rör med ett tunnfilmsskikt anordnat däri vinkelrätt mot den längsgående riktningen. Pga liten storlek hos hälstrukturen kan det magnetiska tunnfilmsskiktet anordnat däri göras tillräckligt tunt för att medge elektroner att överföras genom tunnfilmsskiktet, men hindra andra komponenter fràn att överföras. Typiskt är en yta av den magnetiska tunnfilmen väsentligen lägre än hela ytan hos spinnfiltermembranskiktet. l detta sammanhang betyder ”liten” mikroskopisk dimension.

Spinnfiltret enligt uppfinningen är baserat på principen med spinnfiltereffekt hos magnetiska tunnfilmer. Det är känt att en magnetisk tunnfilm är verksam som ett spinnfilter och att magnetiska tunnfilmer uppvisar en spinnberoende transmissionssannolikhet för elektroner med låg energi (i detta sammanhang, betyder termen "låg energi" < 20 eV).

För att uppvisa rimlig transmission behöver filmtjockleken vara mindre än10 nm och de tekniska svårighetema att övervinna detta över ett tvàdimensionellt omrâde som är tillräckligt stort har försvårat försök att använda magnetiska tunnfilmer som spinnfilter för detektering av spinn.

Detta problem har nu Iösts genom att uppfinningen baserad på magnetiska tunnfilmer stabiliserade av, eller uppburna av en stödstruktur med små hål eller porer som innefattar magnetisk tunnfilm som är tillräckligt tunn för transmission av elektroner. 10 15 20 25 30 535 362 Genom uppfinningen kan en högre transmission och en högre Sherman-funktion tillhandahållas sàväl som parallell spinn-filtrering och tvà-dimensionella spinn-detekteringsscheman. \fidare medger även utformningen utvidgningar till tredimensionella detekteringsscheman.

Enligt en utföringsform av uppfinningen tillhandahålls ett spinnfilter för detektering av spinnmoment hos elektroner, vilket innefattar ett tunnfilmselektronspinnfilter, där spinnfiltret innefattar ett substrat försett med ett membranskikt som innefattar ett flertal stödstrukturer för tunnfilm. som innefattar porer som innefattar magnetisk tunnfilm för transmission av elektroner.

Typiskt innefattar membranskiktet ett stort antal stödstrukturer för tunnfilm som är fördelade över ett tvàdimensionellt omrâde av substratet.

Typiskt är ytorna hos poremas tunnfilmer väl under en yttre yta av membranskiktet.

Typiskt är tjockleken av den magnetiska tunnfilmen hos porerna inom intervallet 1 till 10 nm, vilket är lángt under membranskiktets tjocklek.

Flera än ett magnetiskt skikt kan vara anordnade i en kombination av skikt, förutsatt att tjockleken hos kombinationen av skikt är tillräckligt tunn för transmission av elektroner. Även andra skikt kan vara anordnade i något lämpligt antal.

Typiskt är den magnetiska tunnfilmen överdragen med ett eller flera kapslande skikt.

Enligt en andra aspekt av uppfinningen tillhandahålls även en detektoranordning med spinnfilter för detektering av spinnmoment hos elektroner, vilken innefattar ett elektroniskt tunnfilmsspinnfilter. där spinnfiltret innefattar ett substrat, försett med minst ett membranskikt med ett flertal stödstrukturer för tunnfilm, där stödstrukturerna för tunnfilm är försedda med porer med magnetisk(a) tunnfilm(er) för transmission av elektroner.

De mikroskopiska dimensionerna av porerna medger den totala magnetiska tunnfilmstjockleken till att enbart vara nägra fà nm. I detta fall är tunnfilmstjockleken tillräckligt tunn för att medge elektroner att överföras genom tunnfilmen. 10 15 20 25 30 535 362 Spinnfiltret enligt uppfinningen kan användas till exempel i anordningar såsom spinndetektorer.

Kortfattad beskrivning av ritningsfigurer Sårdragen och fördelar med uppfinningen sàsom beskrivits och ytterligare sàdana framgår av följande detaljerade beskrivning och åtföljande ritningsfigurer, av vilka: FIG. 1A år en vy från ovan av ett spinnfilter med ett antal stödstruktu rer för magnetisk tunnfilm för detektering av spinnmoment hos elektroner enligt en utföringsform av uppfinningen; Fig. 1B är en tvärsnittsvy längs med linje A-A av samma spinnfilter som visas i FIG. 1A; F|G.1C är en förstorad vy i tvärsnitt av en stödstruktur för en tunnfilm; Fig. 2 visar en förstorad vy ovanifrän av stödstrukturen för tunnfilm med porer med en meterskala áskádliggjord; FIG. 3 visar ett spinnfilter för detektering av spinnmoment hos elektroner enligt en annan utföringsform av uppfinningen, som innefattar kapslande skikt som omger det magnetiska tunnfilmsskiktet, och FIG. 4 visar en detektoranordning med ett spinnfilter enligt en utföringsform av uppfinningen.

Detaljerad beskrivning av uppfinningen Nu hänvisas först till FIG. 1A-C som visar ett spinnfilter enligt en utföringsform av uppfinningen.

FIG. 1A är en vy från ovan av ett spinfilter; FIG. 1B är en tvärsnittsvy av samma spinnfilter som visas i FIG. 1A längs med linjen A-A; och FlG.1C är en förstorad vy i tvärsnitt av ett enskilt membran. FIG. 1A-C visar en spinnfilteranordning 1 för detektering av vinkelmoment av elektroner enligt en utföringsform av uppfinningen. Nu hänvisas särskilt till FIG. 1A och B.

Spinnfiltret 1 innefattar ett substrat 10 med en första yta 11, försedd med minst ett membranskikt 12 med ett flertal stödstrukturer 12n för tunn film, med hålstrukturer såsom porer eller kaviteter.

Såsom framgår av denna särskilda figur är stödstrukturerna 12n för tunnfilm försedda med porer 13, vilka innefattar en magnetisk tunnfilm 14 för transmission av elektroner e- (Se förstorad vy i FIG. 1C).

Typiskt är tjockleken av den magnetiska tunnfilmen 14 mindre än 10 nm för att uppvisa rimlig transmission, men typiskt är tjockleken av den magnetiska filmen 14 enbart några få nm.

Membranskiktet 12 kan uppvisa ett stort antal n stödstrukturer för tunnfilm 12,., där n= 1-1000 000, fördelade över ett tvädimensionellt område X-Y av substratet 10. Varje stödstruktur 12,., för 10 15 20 25 30 535 382 tunnfilm där enbart en visas i förstoring i FIG. 1C, är typiskt i form av en por som innefattar en tunnfilm 14. Tunnfilmen 14 är typiskt anordnad under en ytteryta 11 av substrat-/membranskiktet 12 i en kavitet så att tunnfilmen 14 skyddas mekaniskt (Se FIG. 1C). Stödstrukturerna 12n för tunnfilm kan ha vilken lämplig typ av form som helst såsom kvadratisk, cirkulär, triangulär, rektangulär, där kvadratisk form visas i FIG. 1A-C.

Substratet 10 kan vara en cirkulär skiva med stor storlek såsom en diameter 2 " som visas i FIG. 1A och B, eller tom 4" (som inte visas), vilket är en stor fördel. Detta medger användandet av spinnfiltret 1 enligt uppfinningen direkt framför ett typiskt MCP-detektorpaket. Spinnfiltret 1 enligt uppfinningen kan ersätta bländaren, överföringslinsen och högspänningselektroniken som krävs för kända detektorer. Detta kommer visas och beskrivas mera med hänvisning till FIG. 4.

Stödstrukturen 12n för tunnfilm kan ha en sida på några få hundra pm, såsom visas i FIG. 1A, men även mindre eller större diametrar eller vilket antal membran 12,. som helst förutsatt att det finns tillräckligt med plats är möjliga.

Substratet 10 är typiskt en konventionell 2 “ kisel (Si) halvledarskiva, men även alla andra typer av halvledande material såsom germanium (Ge), eller galliumarsenid (GaS) eller dimensioner kan användas istället förutsatt att steget att täcka den första ytan 11 med ett eller flera ytterligare membraner kan tillhandahållas. Substratet 10 kan alternativt vara vilken annan stabiliserande struktur som helst (som inte visas I någon ritningsfigur) tillverkad av stödstänger, nät, eller liknande som uppbär membranskiktet 12.

Membranskiktet 12 mönstras sedan på substratet 10, här i form av ett stort antal kvadrater i en matris. Se FIG. 3. Därefter gros/avsätts/appliceras den magnetiska tunnfilmen 14 på den mönstrade skivan pà membranskiktet 12. Tillväxt kan åstadkommas genom att använda existerande förfaranden som år kända för fackmannen. Efter tillväxt av film mönstras skivan ytterligare genom att använda kända förfaranden som är kända för fackmannen såsom litografiska tekniker. Sedan öppnas mikroporer (eller kaviteter) i halvledarskivan 12n genom att använda konventionella förfaranden såsom reaktivjonetsning eller annan etsningsteknik så att en matris med mikroskopiska fritt stående magnetiska tunnfilmer 14 skapas i varje stödstruktur för 12n för tunnfilm. Den lilla storleken av porerna 12n medger de fritt stående tunnfilmerna 14 till att ha en mycket liten tjocklek, typiskt väl under 10 nm så att transmissionen kan bli jämförbar med andra typer av detektorer > 103. Sherman-funktionen hos tunnfilmen kan överskrida 0,5 10 15 20 25 30 535 362 och figure of merit är därför potentiellt högre än den hos en konventionell spinn-LEED eller Mott- detektor och jämförbar med den hos en magnetisk-film-absorptions-detektor (dvs. G=10'3). l motsats till nämnda magnetisk-film-absorptions-detektor, arbetar spinnfiltret i transmission och kan innehålla ett eller flera skyddsskikt som förhindrar nedbrytning av den magnetiska filmen eller de magnetiska filmema. Detta förlänger spinnfiltrets livslängd.

Tunnfilmen innefattar ett eller flera magnetiska skikt genom vilka elektrontransmissionssannolikheten är beroende av elektronens spinnriktning. Till exempel kan tunnfilmen 14 vara en flerskiktsstruktur som innefattar olika skikt, vara magnetisk eller inte såväl som innefatta skikt som ger andra egenskaper även om dessa inte visas eller beskrivs explicit i FIG. 1. Skikten som ger elektrontransmissionsannolikheten kan vara ferromagnetiska material, såsom men inte begränsade till Ni, Fe, Co, inklusive deras legeringar.

Nu hänvisas till FIG. 3, som är en schematisk vy i tvärsnitt längs med linje A-A i FIG. 1, som visar vägen för inkommande elektroner e-.

De mikroskopiska dimensionerna av porerna 13 medger den totala filmtjockleken A till att vara enbart några få nm, såsom mindre än 10 nm, och typiskt mindre än 3 nm, förutsatt att tjockleken A av filmen 14 är tillräckligt tunn för att medge elektroner att överföras genom filmen 14 med hög sannolikhet.

Typiskt kan det magnetiska skiktet 14 vara kapslat för att förhindra problem med nedbrytning.

Den magnetiska tunnfilmen 14 är anordnad mellan tvä skikt 14a och 14b för att förhindra tunnfilmen 14 från exponering av mekanisk pákänning och nedbrytning. Andra kapslingsskikt eller -medel är även tänkbara även om de inte visas i FIG. 3 eller beskrivs mera detaljerat.

Tillväxt av filmerna kan åstadkommas genom att använda konventionella förfaranden som är kända för fackmannen inom området. Efter filmtillväxt ástadkoms mikroporer/kaviteter 12n medelst konventionell teknik.

Nu hänvisas till FIG. 4.

En viktig fördel med spinnfiltret enligt uppfinningen är att det kan tillverkas i stora storlekar, såsom 2“-, eller även 4- skivor. Detta medger användning av ett spinnfiltemembran framför en typisk mikrokanaldetektor MCP (Micro Channel Plate). Således anordnas spinnfiltret framför 10 15 20 25 30 535 352 nämnda MCP. På detta sätt kan en flerkanalsplatta i full storlek med 40 mm diameter, som medger att hela den normala detektorytan användas. Wdare används enbart den normala mikrokanaldetektorn med fluorescerande skärm och CCD-kamera bakom nämnda MCP.

Högspänningskretsar, separata detektorer, extern elektronik och vakuumkammare utgàr med spinnfiltret enligt uppfinningen.

Ett exempel på en detektor med spinnfiltret enligt uppfinningen anordnat enligt en utföringsform av uppfinningen visas i FIG. 4, till vilken nu hänvisas.

Detektorn innefattar i på varandra följande ordning från vänster till höger, ett slutgaller 41, spinnfiltret enligt uppfinningen 42, mikrokanalplattor (MCP) 43, en fluorescerande skärm 44, ett fönster 45 och en CCD 46.

Genom särskild mönstring och selektiv magnetisering kan spinnfiltret tillverkas med växlande områden, stödstrukturer för tunnfilmen, eller enskilda porer med vinkelrät i-plan och utur plan magnetisering som medger att spinnpolarisering kan bestämmas i tre dimensioner. Dessa områden överför företrädesvis uppspinn, nerspinn, vänsterspinn, högerspinn, framátspinn och bakàtspinn. En typisk svepkurva hos en hemisfärisk analysator kan således bestämma storlek och riktning av i-plan polarisation under det att tvàdimensionell parallell upptagning bibehålls.

Detta visas i FlG. 5.

Utföringsforrner av uppfinningen har beskrivits ovan med hänvisning till figurerna. 1-5. Emellertid inser fackmannen inom området att den detaljerade beskrivningen som givits här i anslutning till dessa figurer enbart är exemplifierande och att uppfinningen sträcker sig utanför dessa utföringsformer.

Den detaljerade beskrivningen är avsedd att illustrera och ge bättre förståelse av uppfinningen och ska inte ses som begränsande. Altemativa utföringsformer är uppenbara för fackmannen inom omrâdet utan att fràngâ uppfinningens skyddsomràde.

Claims (8)

10 15 20 25 30 538 352 Patentkrav

1. Spinnfilter för detektering av spinnmoment hos elektroner, kännetecknat av att spinnfiltret (1) innefattar ett substrat (10) försett med minst ett membranskikt (12) med en första yta (11) med ett flertal stödstrukturer (12n) för tunnfilm, där stödstrukturerna (12n) innefattar porer (13) med en magnetisk tunnfilm (14) för transmission av elektroner (e-), där en yta av den magnetiska tunnfilmen (14) är väsentligen lägre än hela ytan hos membranskiktet (12), där en tjocklek av den magnetiska tunnfilmen (14) hos porerna (13) är inom intervallet 1 till 10 nm.

2. Spinnfilter enligt krav 1, där membranskiktet (12) innefattar ett antal stödstrukturer (12n) för tunnfilm distribuerade över en tvàdimensionell yta (X-Y) av substratet (10).

3. Spinnfilter enligt krav 1 eller 2, där den magnetiska tunnfilmen (14) hos stödstrukturen (12n) för tunnfilm är under den första ytan (11).

4. Spinnfilter enligt något av kraven 1-3 , där den magnetiska tunnfilmen (14) innefattar ett ferromagnetiskt material.

5. Spinnfilter enligt något av kraven 1-4, där tjockleken av den magnetiska tunnfilmen (14) av stödstrukturen (12n) för tunnfilm ligger inom intervallet 1 till 10 nm.

6. Spinnfilter enligt krav 4, där den magnetiska tunnfilmen (14) är överdragen med ett eller flera kapslingsskikt (14a, 14b).

7. Spinnfilter enligt nagot av kraven 1-5, där den magnetiska tunnfilmen (14) och/eller membranskiktet (12) uppvisar selektiv magnetisering av den magnetiska tunnfilmen film (14) i selektiva områden (X, Y, Z) som medger selektiv transmission av selektiva elektronspinnriktningar.

8. Detektor som innefattar mikrokanalplattor (44) och ett spinnfilter (1) enligt krav 1, för detektering av spinnmoment hos elektroner, kännetecknad av att spinnfiltret (1) innefattar ett substrat (10), försett med minst ett membranskikt (12) med en första yta (11) och med ett flertal stödstrukturer (12n) för tunnfilm, där stödstrukturerna (12n) innefattar porer med en magnetisk 536 352 tunnfilm (14) för transmission av elektroner (e-), där en yta av den magnetiska tunnfilmen (14) är väsentligen lägre än hela ytan (11) hos membranskiktet (12), där en tjocklek av den magnetiska tunnfilmen (14) hos porerna är inom intervallet 1 till 10 nm..