（光學工程專業(yè)論文）gaas量子阱中電子自旋弛豫的電子能量、濃度和自旋偏振度依賴研究.pdf

丁必鋒tg a a s 量子阱中電子自旋弛豫的電子能量 濃度和自旋偏振度依贛 論文題目 g a a s 量子阱中電子自旋弛豫的電子能量 濃度和自旋偏振度依賴研究 專 業(yè) 光學工程 碩士生 丁必鋒 指導老師 賴天樹教授 摘要 鐵磁金屬自旋電子器件 如g m r 和自旋閥磁讀頭的巨大成功應用 使人們認識 到了自旋電 了器件的諸多優(yōu)點 如體積小 功耗低 信息不丟失等 促使人們考慮 應用半導體中電子自旋自由度 發(fā)展半導體自旋電子器件 然而 發(fā)展半導體自旋 電子器件要解決的首要問題是實現電子自旋極化和控制自旋極化的弛豫 本文研究 了電子能量 初始電子自旋極化度和電子濃度對g a a s a i g a a s 多量子阱中電子自旋 極化弛豫的影響 以弄清量子阱中電子自旋弛豫的機制和獲取不同條件下自旋極化 弛豫時間常數 本文利用橢圓偏振光泵浦一探測光譜技術研究了室溫下g a a 州g a a s 多量子阱 中自旋偏振馳豫時間和光生載流子濃度的依賴關系 在實驗中觀察到自旋弛豫時間 隨濃度的增加而增加 載流子復合時間隨濃度的增加而減小 根據d p 機制 可知自 旋馳豫時間與動量馳豫成反比 再依據載流子濃度對動量散射的非線性作用理論 可得到自旋馳豫時間與載流子濃度的依賴關系式 實驗結果與該理論符合得很好 同時進一步驗證了橢圓偏振光泵浦一探測光譜技術的可靠性 研究了室溫下g a a s a i g a a s 多量子阱中自旋偏振馳豫時間和初始自旋偏振度 之間的關系 在實驗中觀察到自旋弛豫時間隨初始自旋偏振度的增加而增加 這一 結果與m w w u 等人考慮了h a r t r e e f o c k 項貢獻的理論計算較好符合 h a r t r e e f o c k 項貢獻正比于電子自旋極化度 其行為等效為一個有效磁場 改變自 旋的運動 并與d p 機制一起影響自旋弛豫 根據此理論 自旋弛豫時間正比于初始 自旋偏振度 研究了室溫下g a a s a i g a a s 多量子阱導帶中不同過超能量電子的復合和自旋 馳豫動力學 在相同濃度下 發(fā)現隨著過超能量減小 電了復合時間逐漸增大 之 中山大學碩十學位論文 后我們引入自旋 得到了導帶中不同能級上的電子自旋弛豫時間 綜上所述 實驗表明g a a s a i g a a s 多量子阱中自旋弛豫時間隨濃度 初始自旋 偏振度和過超能量的變化 發(fā)現自旋弛豫時間隨電子濃度的增加i 麗增加 隨初始自 旋偏振度的增加而增加 在帶底附近隨過超能量的增加而減小 關鍵詞 自旋弛豫 g a a s a i g a a s 多量子阱 橢圓偏振泵浦一探測光譜 初始自旋 偏振度 丁必鋒tg 幽量子阱中電子自旋弛攙的電子能量 濃度和自旋偏振度依藏 t i t l e s m d i c so nd e p e n d e n c e so fe l e c t r o ns p i nr e l a x a t i o no ne l e c t n me n e r g y c a r r i e rd e n s i t ya n di n i t i a ld e g r e eo f s p i np o l a r i z a t i o ni ng a a s a 1 g a a sq u a n t u mw e l l s m a j o r o p t i c a le n g i n e e r i n g a u t h o r d i n gb i f e n g a d v i s o r p r o f l a it i 跏一s h u a b s t r a c t t h es u c c e s s f u la p p l i c a t i o n so f f e r r o m a g n e t i cm e m l b a s e ds p i n t r o n i cd e v i c e s s u c ha s g m ra n ds p i nv a l v em a g n e t i c r e a d i n gh e a d e r h a v es h o w nm a n ya d v a n t a g e so f s p i n t r o n i cd e v i c e s s u c ha ss m a l lv o l u m e l i t t l ep o w e rc o n s u m p t i o na n d i n f o r m a t i o n n o u v o l a t i l i t ye r e w h i c hm a k ep e o p l ec o n s i d e rt h eu s eo f t h es p i nd e g r e eo ff r e e d o mi n s e m i c o n d u c t o r st od e v e l o ps e m i c o n d u c t o rs p i n t r o n i cd e v i c e s h o w e v e r f o rt h e r e a l i z a t i o no f t h i sp u r p o s e t h ef i r s t l yi m p o r t a n tp r o b l e mt ob es o l v e di sr e a l i z a t i o no f s p i n p o l a r i z a t i o na n dc o n t r o l l i n gs p i nr e l a x a t i o n i nt h i sp a p e r t h ee f f e c t so f c a r r i e rd e n s i t y i n i t i a ld e g r e eo f s p i np o l a r i z a t i o na n de l e c t r o ne n e r g yo ns p i nr e l a x a t i o ni ng a a s a i g a a s q u a n t u mw e l l sa tr o o mt e m p e r a t u r e i si n v e s t i g a t e dt ou n d e r s t a n dt h em e c h a n i s mo f e l e c t r o ns p i nr e l a x a t i o na n dt oo b t a i nt h es p i nr e l a x a t i o nt i m eu n d e rt h ed i f f e r e n t c o n d i t i o m i n t h i sp a p e r t h ec a r r i e r c o n c e n t r a t i o nd e p e n d e n c eo f t h es p i np o l a r i z a t i o nr e l a x a t i o n t i m ei ss t u d i e du s i n gt i m e r e s o l v ee l l i p t i c a l l yp o l a r i z e dp u m p p r o b ea b s o r p t i o n s p e c t r o s c o p y 仃r e p p p a s i ng a a s a l o a a sq u a n t u mw e l l s i ti s f o u n dt h es p i n r e l a x a t i o nt i m ei n c r e a s e sw i t hc a r r i e rd e n s i t y w h i l er e c o m b i n a t i o nt i m ed e c r e a s e s w h i c h i si ng o o da g r e e m e n tw i t ht h ed pm e c h a n i s mo f s p i nr e l a x a t i o n d pm e c h a n i s mp r e d i c t s t h a ts p i nr e l a x a t i o nt i m ei si n v e r s e l yp r o p o r t i o n a lt 0m o m e n t u mr e l a x a t i o nt i m e w h i l et h e m o m e n t u mr e l a x a t i o nr o t ei sd i r e c t l yp r o p o r t i o n a lt oc a r r i e rd e n s i t y a sar e s u h t h es p i n r e l a x a t i o nt i m ei n e r e o s c sw i t hc a r r i e rd e n s i t y t h ea g r e e m e n tb e t w e e nt h ee x p e r i m e n t a l 瑚 中山大學碩一 學位論文 a n dt h e o r e t i c a lr e s u l t ss h o w t h er c l i a b i l i t yo f t h en e wt r e p p p a s t h ed e p e n d e n c eo fs p i nr e l a x a t i o no ni n i t i a ld e g r e eo fe l e c t r o ns p i np o l a r i z a t i o ni s a l s os t u d i e di ng a a s a i g a a sq u a n t u mw e l l sb yt h et r e p p p a s i ti sf o u n dt h a ts p i n r e l a x a t i o nt i m ei n c r e a s e sw i t ht h ei n i t i a ld e g r e eo f s p i np o l a r i z a t i o n s w h i c ha g r e e sw e l l w i t ht h es i m u l a t i o no fw ue ta lw h oc o n s i d e r sh a r t r e e f o c kc o n t r i b u t i o n h a r t r e e f o c k c o n t r i b u t i o ni n c r e a s e sw i t ht h ed e g r e eo fs p i np o l a r i z a t i o n i tb e h a v e sa sa ne f f e c t i v e m a g n e t i cf i e l dw h i c hc a na l t e rt h em o t i o no f e l e c t r o ns p i n s a n dc a na f f e c ts p i nr e l a x a t i o n b yc o m b i n i n g w i t hd pc o n t r i b u t i o n b a s e do nt h i st h e o r y s p i nr e l a x a t i o nt i m ei n c r e a s e s w i t ht h ed e g r e eo f s p i np o l a r i z a t i o n t h ed e p e n d e n c eo fe l e c t r o nr e c o m b i n a t i o na n ds p i np o l a r i z a t i o nr e l a x a t i o nt i m e so n t h ep h o t o ne n e r g yi si n v e s t i g a t e d i ti sf o u n dt h a te l e c t r o nr e c o m b i n a t i o nt i m ed e c r e a s e s w i t ht h ee x c e s se n e r g yi n c r e a s e t h ed e p e n d e n c eo ft h es p i nr e l a x a t i o nt i m eo ne l e c t r o n e n e r g yi sa l s oo b t a i n e df o rt h es a m ee l e c t r o nd e n s i t y i ns l l m m a r y i th a sb e e ns h o w nt h a tt h e s p i nr e l a x a t i o nt i m ei sa l t e r e dw i t ht h e c o n c e n t r a t i o n i n i t i a ld e g r e e o f s p i np o l a r i z a t i o na n de x c e s se n e r g yo f e l e c t r o n s i ti s f o u n dt h a tt h er e l a x a t i o nt i m ei n c r e a s e sw i t he l e c t r o nd e n s i t ya n dt h ed e g r e eo f s p i n p o l a r i z a t i o n b u td e c r e a s e sw i t ht h ee x c e s se n e r g yo f e l e c t r o n sn e a rt h eb o t t o mo f c o n d u c t i o nb a n d k e y w o r d s s p i nr e l a x a t i o n g a a s a i g a a sq u a n t u mw e l l s e l l i p t i c a l l yp o l a r i z e d p u m p p r o b es p e c t r o s c o p y i n i t i a ld e g r e eo f s p i np o l a d z a t i o n i v r 必鋒 c m a s 量子辨中電子白旋弛豫的電子能量 濃度和自旋偏振度依贛 第一章電子自旋弛豫研究背景及意義 1 9 2 1 年 施特恩 0 s t e m 蓋拉赫 w g e r l a c h 實驗發(fā)現基態(tài)銀 a g 原子 經過不均勻磁場時分裂為兩束 表明銀原子在磁場中有兩個取向 有力地證明了原 子角動量空間量子化的存在 后來他們用摹態(tài)氫原子做了類似的實驗 兩者結果是 一致的 按照空間量子化理論 當軌道角動量量子數卜一定時 軌道角動量工在z 方 向應當有2 1 1 個取值 即磁量了數珊應有2 1 1 取向 由于 是整數 2 1 1 就一定是 奇數 然而 銀原子和氫原子摹態(tài)的軌道角動量量子數 都為零 磁量子數m 應只 有一個取向 所以當時的空間量子化的理論所不能解釋實驗給出的基態(tài)銀原子在磁 場中有兩個取向的事實 而早在1 8 9 7 年普雷斯頓 l p r e s t o n 報告說大量塞曼分裂 實驗表明 在磁場作用下 光譜線分裂的數目可以不是三個 間隔也不盡相同 這 一點也無法用軌道角動量來解釋 稱之為反常塞曼效應 為了解釋施特恩 蓋拉赫實 驗銀原子在非均勻磁場中出現偶分裂的現象和反常塞曼效應 烏倫貝克 ge u h l e n b e c k 和古茲米特 s g o u d s m i t 于1 9 2 5 年提出電子具有自旋的假設 電子不 是點電荷 它除了繞原子核旋轉外 還繞自己的軸自旋 它具有固有的自旋角動量 s 且在z 方向的分量只有兩個 為土矗 2 即自旋量子數m 只能1 玻 1 2 兩個數值 其 中正負號分別表示 自旋朝上 和 自旋朝下 是量子物理中常用的基本物理常數 稱為普朗克常數 利用這一電子自旋假說很容易解釋旌特恩 蓋拉赫實驗出現的偶分 裂現象 1 9 2 8 年狄拉克把相對論引進了量子力學 建立了相對論形式的薛定諤方程 也就是著名的狄拉克方程 從理論上導出了電子有自旋的結論 自此 人們發(fā)現電 子不但有靜質量 電荷 還有自旋這樣一個內稟性質 1 1 自旋的應用 雖然人們發(fā)現自旋相當長一段時間 但一直都沒有發(fā)覺它的應用價值 直至u 1 9 8 8 中山大學碩士學位論文 年 法國科學家m n b a i b i c h 等人在人工鐵磁 非磁金屬薄膜 0 0 1 f e 0 0 1 c r 交替周期結構器件中發(fā)現了巨磁阻 g m r 口一墩應 自旋才開始發(fā)揮它的實際作 用 在g m r 電阻 2 4 中 由于非磁性金屬薄膜厚度很小 相鄰鐵磁金屬薄膜層問的 自旋反向平行禍合 呈現高阻態(tài) 而在適當強度外磁場作用下 所有鐵磁金屬薄膜 層中電子自旋取向平行 呈現低阻態(tài) 所以g m r 器件的電阻可以由小 同向磁化 到大 反向磁化 變化 g m r 電阻可以感受外界磁場的大小 伊它無法確定磁場的 方向 以g m r 電阻為基礎 人們研制出了自旋閥 s v 5 6 自旋閥也是由兩個鐵 磁層 通常是鎳 鐵和鈷的合金 和一個非磁的金屬 通常是銅 構成的三明治結 構 與g m r 電阻不同的是s v 其中一個鐵磁層中被反磁層釘扎 其自旋磁矩對外界 磁場不敏感 而另外一個鐵磁層自旋磁矩由在外磁場作用下方向和大小都會改變 q 根據巨磁阻效應 自旋閥 s v 的電阻值也會變化 根據阻值的大小就可以判斷 出外界磁場方向 s v 磁感應器靈敏度相當高 可以用于檢測微弱磁場信號 利用這 一優(yōu)良特性研制的s v 硬盤磁讀頭靈敏度遠高于傳統(tǒng)的電磁感應磁讀頭 所以人們可 以把硬盤數據磁化點加工得更小 從而增加數據存儲密度 增加硬盤容量 在過去 十年中 正是由于s v 磁讀頭的成功應用 硬盤存儲密度提高了近千倍 將g m r 結 構中的金屬層替換為絕緣層 一般為氧化鋁 就是超巨磁電阻 c m r 原理也與 g m r 相同 與自旋閥 s v 結構類似 人們將c m r 結構中 個鐵磁層釘扎 可以得 到磁隧道結 m t j 碉 基于 m t j 結構制作的刑r 隧道磁阻1f 9 1 研磁頭l i g m r 磁 頭靈敏度更高 也是將來硬盤磁讀頭發(fā)展的一個方向 正在研制近期將具有商品化 的磁性隨機存儲器 m r a m 1 1 1 1 2 同樣也基于m t j 結構 它利用磁介質來存儲信 息 用磁阻來讀取數據 它的摹本原理與硬盤的記錄原理相同 也是采用磁化的方 向來記錄0 和i 與以往的電隨機存儲器相比 其速度是后者的1 0 0 0 倍 而且只要外 場不改變 磁化的方向就不會改變 由于磁性的永久存儲特性 所以m r a m 屬于非 揮發(fā)的隨機存儲器 用于計算機后 計算機就不需要每次開機都重新啟動和初始化 而是開機后繼續(xù)上次關機時的狀態(tài)運行 即m r a m 在掉電后仍能保持原來的存儲信 息 雖然自旋電子學取得的成就已經令世人矚目 1 日其產品都是以鐵磁性材料為原 料制作 與以電荷傳輸為摹礎的傳統(tǒng)電于學大相徑庭 兩種器件的集成難度很大 丁必鋒 g a a s 量子阱中電子自旋弛豫的電子能量 濃度和自旋偏振度依藕 現代電子器件的密集度越來越高 能耗越來越大 散熱問題變得更加嚴重 而相比 傳統(tǒng)電子器件 基于自旋的電子器件具有許多優(yōu)點 如體積小 功耗小 信息不易 丟失等 為了將自旋電子器件的優(yōu)點引入現代電子學 解決現在其面臨的困境 如 散熱問題 同時又要方便兩種器件的集成 人們思考能否使用半導體材料來研制自 旋電子器件 在這種情況下 半導體自旋電子學誕生了 自旋最具前景的應用 自旋晶體管 正是基于半導體自旋電子學 就象5 0 年前人們發(fā)明電子晶體管一樣 自旋晶體管的誕生肯定會使整個電子產業(yè)產生革命性的變化 目前已經提出了幾種 自旋晶體管的研制方案1 1 3 1 4 1 另一方面 被很大程度上延長的自旋相干態(tài)壽命 州7 1 使得自旋態(tài)作為量子位用于量子計算和信息處琿1 1 8 2 進而也使制作量子計算機 1 2 2 7 3 1 成為可能 1 2 半導體自旋電子學需要解決的問題 半導體自旋電子學是目前國際上自旋電子學的研究熱點之一 人們希望利用半 導體中電子和空穴的自旋自由度實現自旋電子器件與傳統(tǒng)電子器件的集成制造 半 導體自旋電子學需要解決的問題包括半導體中的電子自旋極化和注入 以及自旋的 輸運 檢測和控制 1 2 1 半導體中的電子自旋極化和注入 由于半導體中電子和空穴的自旋取向是各向同性的 要在半導體材料中運用自 旋性質 首先要解決的問題就是在半導體材料中實現自旋的極化或注入 中山大學碩十學位論文 圓二一 l 一 j 圖1 1 電子自旋極化和注入示意圖 自旋極化或注入就是將自旋取向各向同性變?yōu)楦飨虍愋?產生凈自旋磁矩的過 程 分別如圖1 1 中a b 所示 目前報道的極化和注入方法主要有圓偏振光激發(fā) 2 4 2 9 和電子注入法 2 5 3 0 3 3 1 利 用光子的角動量選擇激發(fā)某一方向自旋的電子 是一種高效率的自旋極化方法 f i e d e d i n gr 2 4 l 等人設計了一種自旋l e d 2 4 2 5 1 利用磁性半導體和非磁半導體之間的 電子自旋注入 自旋偏振電流的注入效率達到9 0 對應的發(fā)光圓偏振度為0 a 5 光注入方法在自旋動力學實驗研究中被廣泛使用 本論文第二章中將有較為詳細的 描述 自旋偏振的電子注入方法主要用在半導體電予自旋器件的大規(guī)模工業(yè)生產和 研制中 一種方式是用鐵磁材料作源極 通過電注入將磁化的鐵磁體中的自旋一致 的電子注入到半導體中 但是鐵磁體與半導體的歐姆接觸界面粗糙 電子受到強的 界面散射容易失去自旋取向 自旋反轉散射 因而注入極化電子的效率較低 3 2 捌 gs c h m i d t l 3 3 1 等人從理論上研究了f m n f m 歐姆接觸自旋電注入 發(fā)現自旋電 注入效率與歐姆接觸的兩種材料的電導率有關 當c r fs 氏時 自旋注入效率高 如 f m s u p e r c o n 大于4 0 反之 當仃 盯 時 自旋注入效率非常低 f m s e m i c o n 正是這種情況 f m 金屬 2 維電子半導體 f m 金屬 f 3 結構 由1 維半導體夾 4 圃 齜一 甸 丁必鋒 c s a s 量子阱中電子自旋弛豫的電子能量 濃度和自旋偏振度飯贛 層的電阻較高 其電導是不依賴于自旋的 當鐵磁體的磁化由平行變?yōu)榉雌叫袝r 電阻的整體變化很小 因此 在擴散區(qū)是很難獲得對半導體的自旋注入的 c m h u 0 l 等人做的實驗發(fā)現當溫度小于1 0 k 時 半導體 i n a s 中自旋偏振注入效率僅 為4 5 另一種方式是用稀磁半導體材料作源極 如g a m n a s b e m n z n s e 和c u s b c u a s 等 稀磁半導體材料具有磁性和半導體材料的特征 與微電子材料生長和器 件工藝匹配 在很低的磁場下 電子幾乎全部處在能量低的自旋態(tài)上 因此 此類 材料可以充當自旋極化源 1 2 3 自旋輸運 檢測和控制 要實現半導體自旋電子器件制造 除了解決上述電子自旋極化和注入外 還需 要解決電子自旋的輸運 控制和檢測等問題 這些問題都是目前自旋電子學的研究 熱點 美國加洲大學圣巴巴拉分校的d d a w s c h a l o m 教授的研究小組在自旋問題 研究中作出了許多開創(chuàng)性的研究工作 他們首先研究了g a a s 中電子自旋相干的輸 運 發(fā)現g a a s 中電子自旋在1 6 v c m 的電場中能夠輸運1 0 0 1 a m 1 1 這樣的輸運尺 度已基本上能滿足器件制造需要 自旋輸運長度 又叫自旋擴散長度 它表示電子 在固體中不喪失自旋相干的擴散長度 自旋輸運長度的典型值是微米 岬 量級 這個重要事實使得在將來的微電子及納電子學應用領域中使用電子的自旋性質具有 可行性 任何電子自旋攜帶的信息編碼將不受干擾地在整個器件中傳播 在i i v i 族半導體量子阱中 他們發(fā)現電子的自旋即使在室溫下也能夠保存幾個n s 削 在自旋的控制方面 他們提出了超快光 3 5 1 電1 4 5 1 控制電子白旋相干的方法 自旋 控制就是要控制自旋偏振方向的翻轉 這是實現自旋電子器件的必要條件 在鐵磁 金屬中可以使用磁場控制自旋取向的翻轉 但磁場難于做到精確的點控制 瑞典的 y a c r e m a n n 等人報道了超快磁場的產生i 嘲 有望用于自旋的磁控制 前面的自旋 弛豫 輸運實驗研究中均使用光學方法檢測自旋 但作為器件應用 最好使用i 影 磁方法檢測自旋更實用 方便 目前還沒有有效的電子自旋的電 磁檢測方法報道 s d g a n i c h e v 等人提出了將自旋轉換為電流的檢測方法1 3 7 1 該方法仍然基于鐵磁金 屬的自旋分裂 即用鐵磁金屬做電極 只有與鐵磁金屬費米能級處的電子自旋取向 中l(wèi) l i 大學碩士學位論文 一致的電子龍能夠有效通過 半導體中自旋極化和注入的問題已經基本解決 但自旋的控制方面還遠遠沒有 達到實際應用的要求 1 3 電子自旋馳豫機制 要解決自旋的控制問題 必須先弄清楚自旋極化后的自旋馳豫特性 即研究不 同外部條件和內部結構情況下的自旋馳豫時間的變化 制造實際的自旋電子器件 最大的障礙有兩個 將自旋極化電于 或空穴 注入半導體的方法和如何檢測它們 用圓偏振光激發(fā)半導體注入自旋偏振載流子 可以有很高的注入效率 最高達1 0 0 而且可以實現超短脈沖對電予自旋的各種操縱 3 8 自旋弛豫的探測已經從最 初的穩(wěn)態(tài)熒光探測 3 9 l 發(fā)展至時間分辨熒光探測m4 年口基于自旋偏振的瞬態(tài)透射 或反射抽運探測技術 4 2 3 1 在控制自旋弛豫方面 人們通過摻雜m 增加量了約束 4 5 1 外加電場引入附加自旋分裂 刪 外加磁場固化自旋偏振 4 7 1 等方法實現了自旋弛 豫的人工控制 而所有的這些成就都是摹于電子自旋馳豫機制的理論研究 電子的自旋馳豫包括橫向馳豫和縱向馳豫 橫向弛豫描述自旋退相干 所謂相 干態(tài)是指在初始時刻系統(tǒng)中所有電了波函數相位是一致的 隨時間的變化 各電子 波函數相位仍然保持一致的變化 即同步 這時的電子態(tài)稱為相干態(tài) 由于電子一 電子相瓦作用 相干態(tài)只能維持一定時間 稱為退相時間 用兀表示 自旋縱向弛 豫 也稱自旋偏振弛豫 指的是自旋態(tài)由各向異性變?yōu)楦飨蛲缘倪^程 這個過程持 續(xù)的時間用正表示 本論文在實驗和琿論工作中所研究的是i i i v 族半導體材料中電 子的自旋退極化過程 即自旋偏振弛豫 人們對i i i v 族半導體材料中電子的自旋馳豫已經有了深入的研究 并確立了幾 種成熟的馳豫機制 壬要有d y a k o n o v p e r e l d p f 4 8 5 l 機制 e l l i o t t y a f c t e y f 玨 5 3 機 1 j 并l b i r a r o n o v p i k u s b a p p 4 機制 由于自旋弛豫時間對物質參數有不同的 依賴關系 人們往咎通過自旋弛豫時間與電子束縛能m 阱寬 4 4 1 溫度陋羽 遷移 率 5 7 1 等參數的關系來判斷是哪種機制在自旋弛豫過程中起豐導作用 6 丁必鋒 g i s 量子阱中電子自麓弛豫的屯子能量 濃度和自麓偏振度依藏 圖1 1 半導體中電子自旋弛豫機制 a b c 分別表示d p e y 和b a p 機制 d p 機制 源于中心反演不對稱系統(tǒng)的自旋一軌道相互作用 它使得導帶的自旋 分裂 這一分裂等效于存在一個與波矢大小k 成正比的有效磁場 驅使自旋圍繞它 進動 而載流子與載流子 聲子 雜質等的散射作用導致波矢的隨機化 從而導致 有效磁場的隨機化 則總體的自旋極化就會隨之衰減 即產生自旋極化弛豫 因此 電子自旋弛豫時間 j 與動量弛豫時間f 成反比 稱為 運動性減慢 當散射事件發(fā) 生的越頻繁 動量弛豫時間越短 這種 運動性減慢 作用越強 自旋弛豫時間越長 l m u n o z 根據d p 機制推出量子阱中電子的自旋弛豫時間 蚓 l2 口2 e k r t 2 蘆如 其中口 加4 乓 2 2 m 2 m 是有效質量 是分裂系數 五 是量子阱中第一電 子束縛態(tài)能量 e 是帶隙能量 d p 機制在高溫 t 5 0 k 和非中心對稱的i i i v 族 閃鋅礦材料 如g a a s 體材料和量子阱 或n 一型半導體中起主導作用 e y 機制 e l l i o t t y a f e t 機 1 j 是基于自旋一軌道耦合 使具有相反自旋量子數的波 函數彼此耦合 具有確定自旋方向和不確定動量的自旋本征態(tài)不再存在 這樣 動 量散射過程能直接導致自旋的翻轉散射 中山大學碩十學位論文 由于自旋軌道禍合相互作用 導帶中電子的哈密頓量出現一個由自旋軌道禍合 相瓦作用引入的相瓦作用能彤7 麗h下y r l s 其中慨是電子的有效質量 以 為載流子的散射勢 l s 分別表示軌道角動量和自旋角動量 根據波恩近似 電子 從馓射到p 的幾率為 5 8 1 m 瓦毒2 k i 腳1 歹 a v 加 q l s 峙 4 顯然 在散射過程中 隨著波矢的改變 自旋也有同樣的反轉幾率 a t s u s h it a c k e u c h i 等人在忽略r 能量的依賴關系以后計算出量子阱q b e y 弛豫 機制決定的自旋弛豫時間為 卅 專 亂寺m 丟 2 警吉 其中 為自旋分裂能量 對于g a a s a o 3 4 e v e y 機制主要作用在窄帶隙半導 體材料中 d p 機制和e y 機制最大的區(qū)別在于它們對動量弛豫時間t 有相反的依賴關系 增強散射強度會使e y 機制更有效 而d p 機制的作用將減弱 事實上 在e y 過程中 碰撞散射會使自旋翻轉 碰撞越劇烈 自旋翻轉幾率越丈 而d p 機制中碰撞通過波 矢方向的變化來改變電子的有效磁場 從面間接改變自旋進動的方向 b a p 機制 在電子一空穴交換散射中發(fā)現 空穴動量散射較強 它引起電子的 自旋翻轉散射 即空穴自旋以有效磁場作用f 電廠自旋 使得電子進動 當空穴動 量弛豫速率大于有效磁場的進動速率時 即當電r 自旋還沒有進動完一個周期前空 穴動量就改變 則交換散射作用使得電子自旋翻轉 那么電子自旋弛豫又回到 運動 性減慢 的d p 模式 對空穴簡并情況 自旋弛豫速率有如下形式 4 5 i2 i 3 麗v i k s t 司 t s 且4 p t ov b 丑 其中 是交換分裂參數 t 1 5 薔鎊 6 島2 砑h 2 2 h 而2 o 喁2 去 丁必鋒 c a a s 量子阱中電子自旋弛穗的電子能量 i 舞度和自旋倔振度依贛 a 為激子摹態(tài)交換分裂能 n p 是空穴濃度 b a p 機制主要在大量空穴存在時起主導作用 對n 型半導體 由于大量電子的存 在使得電子空穴快速復合 b a p 作用就被阻礙了 因此b a p 機制主要作用于低溫以 及p 型半導體 上述都是三種比較成熟的電子自旋馳豫機制理論 大量的實驗都證明了它們在 各自前提下的正確性 但人們對電子自旋馳豫機制的研究并不止于此 m w w u f 5 9 6 0 就在d p 機制基礎上 從多體效應動力學理論出發(fā) 指出自旋守恒散射 如電子一電 子散射 在非均勻展寬條件下同樣也能引起自旋弛豫 而通常我們在研究自旋弛豫時 會忽略它的影響 只認為自旋反轉散射 如載流子間碰撞散射 才是自旋弛豫的主要 原因 1 4 電子自旋弛豫研究動態(tài) 在上述三種電子自旋弛豫理論的基礎上 人們對電子的自旋弛豫機制進行了深 入研究 并且取得了顯著的進展 電子的自旋退偏振的一個重要內容就是縱向弛豫 時間 1 9 8 0 年 a l f a n 0 1 4 0 1 首次應用條紋照相機研究發(fā)光圓偏振度隨時間的變化 在 發(fā)光圓偏振度等于電子自旋偏振度假設下 獲取自旋偏振弛豫動力學 實驗測得 g a a s 體材料在載流子濃度為7 l o 硎1 時電子的自旋弛豫時間是8 8 3 4 p s 但是光 致熒光法本身具有一定的局限性 如常溫下熒光效率低 只能在低溫下展開實驗 對于更具有實際應用價值的常溫情況無法用光致熒光法研究電子的自旋弛豫 只能 研究發(fā)光材料 由十光致熒光法是通過測量光的圓偏振度來間接測量電子的自旋偏 振情況 所以這就存在一個測量方法的準確性問題 十年后 人們利用跟自旋相關的抽運探測測量技術和利用改良后的條紋相機采 用時間分辨光致熒光法可以直接測量自旋弛豫過程 并且把對自旋動力學的研究從 體材料擴展到量子約束結構上 包括量子阱 4 2 量子線 f 和量子盤洲等 1 9 9 0 年日 本小組a t s u s h it a c h e u c h i 等人1 6 2 第一次利用跟自旋相關的光學非線性性質來直接觀 測g a a s a i g a a s 量子阱中激子的皮秒弛豫 這是人們第一次利用抽運探測技術來研 9 中山大學碩十學位論文 究電子的自旋弛豫情況 室溫下測得g a a s a l o g a a s 多量f 阱中的電子自旋弛 豫時間是3 2 p s 后來他們利用瞬態(tài)飽和吸收技術測量了不同阱寬下無摻雜 g a a s a i g a a s 多量子阱材料和l n g a a s i n p 多量子阱材料中電子的自旋弛豫時間 實 驗發(fā)現g a a s a i g a a s 量子阱中電子的自旋弛豫時間t 跟束縛能e 有關 并且有 f e f 22 這與根據d p 機制推導出的理論關系式 1 7 o ce 2 相近 因此說明室 溫下g a a s a i g a a s 多量f 阱中電子自旋的壬導弛豫機制是d p 機制 實驗還測得帶隙 是g a a s a 1 g a a s 量子阱的一半的l n g a a s i n p 量子阱中電子的自旋弛豫時間是5 p s 并 且電了的自旋弛豫時間隨電了束縛能毛 的變化而變化 且有z o c e 1o 而根據 e y 機制有t ce 1o 這說明在窄帶隙材料m g a a s i i l p 中占主導地位的是e y 弛豫機 制 h g o t o h l 6 3 1 等人在窀溫下利用g a a s a 1 g a a s 量子阱研究了電子一空穴相互作 用對電子自旋弛豫時間的影響 實驗發(fā)現電子的自旋弛豫時間隨電子和空穴的間距 的變化而變化 其中我們可以通過調整施加在量子阱上的電場來改變電子和空穴的 間距 隨著電子和空穴間距的增加 電子的自旋弛豫時間也隨之延長 我們知道在 室溫下量子阱中電子的自旋弛豫主要是由d p 效應引起的 并且d p 機制認為電子的 自旋弛豫是由于電子動量的隨機化導致的 且只有電子散射跟自旋弛豫有關 因此 d p 機制認為電子的自旋弛豫不會受到周圍空穴的影響 也就是說d p 機制是電子和 空穴間距無關的 因此在這種情況下除了d p 機制 還有另外一種跟電子一空穴交換 相瓦作用有關的機制對電子的自旋弛豫起作用 b a p 機制基于電子一空穴交換相互 作用 辛要解釋的是自由電子和空穴的自旋弛豫問題 b a p 機制認為自由電子和空 穴的自旋弛豫時間跟交換能的平方成反比 而交換能是跟電了 和空穴波函數的重疊 積分成正比 顯然電子和空穴間距減少導致交換能的增加從而導致電子的自旋弛豫 時間縮減 4 5 r s b r i t t o n 等人 4 3 l 研究了室溫下無摻雜g a a s a 1 0 a a s 多量子阱中電子的自旋弛 豫時間跟阱寬e l 即束縛能 的關系 對于較大阱寬 由聲子作用下的動量散射導致 的d p 機制 使得電子的a 旋弛豫速率趨向于跟本征材料一樣 對較窄的阱寬 電子 的自旋弛豫速率強烈依賴于e 這也跟d p 機制預計的一樣 佃是對于不同材料的樣 1 0 丁必鋒zg a a s 量子阱中電子自旋弛豫的電子能量 濃度和自旋偏振度依贛 品 電子的自旋弛豫速率具有一定的變化 這是由于樣品內界面結構的不同引起的 p i lh u ns o n g 和k w k i m l 根據e y d p b a p 機制以溫度和摻雜濃度作為 參量 理論上計算了n 型以及p 型g a a s g a s b l n a s h s b 等體材料的導帶電子自 旋弛豫時間 并比較了各弛豫機制在不同條件下的作用 發(fā)現當上述四種材料為n 型摻雜 受主濃度為n a 5 1 0 1 3 c n l 施主濃度 d 在1 0 1 4 1 0 2 0 c m 3 之間變化時 d p 機制主要作用于低溫至高溫 而在較低的溫度下e y 機制占主導地位 當上述四 種材料為p 型摻雜 施主濃度 忙 5 1 0 1 3 c m 受主濃度 h 在1 0 1 0 2 0 c m 3 之間變 化時 b a p 機制在低溫和高受主濃度情況下起主導作用 d p 機制在高溫和低受主濃 度情況下起主導作用 p m u r z y n 等人1 6 5 采用抽運探測技術測量了溫度為3 0 0 k 時本征和簡并n 型i n a s 和i n s b 的自旋壽命 測得近簡并n l n a s 自旋壽命 t 1 6 n s n i n s b 自旋壽命 t 3 0 0 p s 對本征l n a s 測得t 2 0 p s 與他人的實驗結果相符 窄帶隙半導體材料 中的自旋弛豫過程主要有兩種 d p 機制和e y 機制 對本征和微量摻雜樣品 根據 d p 機制理論 實驗上t 之值分別為 i n a s 2 0 p s 2 0 p s i n s b x 0 p s 1 6 p s 麗根 據e y 機制理論 實驗上t e r 之值分別為 h a s 5 0 p s 2 0 p s i n s b 3 5 0 p s 1 6 p s 因 此d p 機制是1 1 1 v 族材料在室溫下 高于7 7 k 的主導機制 對于高摻雜n h a a s d f 機制由于簡并情況和電子一電子散射作用而受到抑制 e y 機制占據主導地位 t h o m a sf b o g g e 舔等人嗍實驗測量了室溫下i n a s 體材料的電子自旋弛豫 利用 偏振亞皮秒抽運探測技術用波長為3 a 3 腳的光波測得電子自旋弛豫時間f 為 1 9 士4 p s 這與基于d p 機制的自旋進動弛豫理論計算值2 1 p s 符合的很好 t s o g a w a 6 l l 等人測量了g a a s a i a s 量子線材料中自旋極化的光致熒光的激子 的光譜和它的自旋弛豫時間 實驗發(fā)現在接近躍遷帶邊處自旋極化具有最大值 并 且自旋極化隨著激子聲子能量的變化而變化 對比量子線材料和量子阱材料的自旋 弛豫時間 發(fā)現低溫 1 5 8 0 k 下 在一維結構的材料中電子的自旋弛豫速率降低了 y o b n o 6 7 等人研究了不同生長方向 1 0 0 面和 1 1 0 面 的n 攙雜和本征 g a f f s a i a s 量子阱中的電子自旋馳豫機制 研究了溫度 阱寬和攙雜濃度對自旋馳 豫時間的影響 實驗發(fā)現當溫度t y 3 0 k 時 n 攙雜 1 0 0 面生長g a a s a 1 a s 量予阱中電 中山大學碩十學位論文 子自旋馳豫時間的變化規(guī)律完全符合d p 機制 而毒溫 1 i o 面生長量了 阱中電子自旋 馳豫時間要比 1 0 0 面生長量子阱中電子自旋馳豫時間大3 0 倍 他們認為是d p 機制在 兩種材料中所起的作用不同 m w w u 6 8 1 等人研究了n 型g a a s 中d p 弛豫機制對電子自旋退相的影響 實驗 表明電子的自旋退相時間會受到溫度 雜質攙雜水平 磁場 電 f 濃度等的影響 實驗表明低溫下在有雜質數射的情況下電子自旋退相時間會隨著溫度的增加而增 加 而這一點跟d p 機制的預言是相反的 實驗結果表明當有雜質引入時電子的自旋 退相時間會減少 t 日是如果進一步增加雜質濃度 電子自旋退相時間反而會增加 電子自旋退相時間隨雜質水平的變化可以這樣理解 首先d p 項和散射項部不能單獨 產生電子的自旋退相 它們二者必須結合在一起才能產牛電子自旋退相 然而還有 一點需要值得注意的 那就是散射也會使得電子在動量空間重新分布并且趨向于使 得電子在動量空間各向同性分布 因而當進一步把雜質濃度增加一個數量級的時候 由d p 效應引起的各向異性被抑制了 從而使得電子自旋退相時間增加 此外實驗表 明在d p 效應被抑制的情況下 電子自旋退相時間對磁場的依賴性也被抑制了 m w w u 等人的理論預言在有雜質存在的情況下電子的自旋退相時間會隨著溫度的增加 而增加 但是這一點正好跟以往的只是簡單處理d p 效應得到的結果相反 雖然人們在自旋弛豫研究方面取得了許多可喜的成果 驗證了在不同條件下自 旋弛豫的宅導機制 但是在特殊情況下 如文獻 6 8 中所述 n 型g a a s 中電子自旋 弛豫機制也不完全符合人們普遍認同的d p 機制 說明我們現有的理論還需要進一步 發(fā)展 以便解釋新的實驗現象 本論文選擇在自旋電子學中應用得最多的g a a s 量子 阱影響電子自旋弛豫過程的載流子濃度 電子過超能量和初始自旋偏振度這二個因 素作為研究對象 進一步研究電子自旋弛豫機理 了解這些因素的作用規(guī)律等這些 過去尚未在實驗上和理論上檢測和分析的問題 為相關的應用和器件設計提供新的 參考 1 5 本論文的主要成果和結構安排 本論文采用橢圓偏振光泵浦 探測光譜技術 以g a a s a i g a a s 多量尹阱為研究 丁必鑷tg a a s 量子阱中電子自旋弛豫的電子能量 帳度和自旋偏撮度依贛 對象 從實驗和理論兩個方面研究了電子自旋弛豫的特性 取得了如下取得了如下 有意義的研究成果 1 運用橢圓偏振光泵浦 探測光譜技術研究了室溫下g a a s a i g a a s 多量子阱 中電子自旋弛豫與動量弛豫及載流子濃度的關系 通過增加受激電子濃度的方法 改變a i g a a s g a a s 多量子阱中自旋電子動量馳豫時間 得到了電子自旋時間和電子 壽命隨濃度變化的規(guī)律 隨著電子濃度的增加 電子碰撞散射更加激烈 動量馳豫 時間縮短 電子自旋馳豫時間增加 實驗結果符合d p 機制 證實了動量馳豫過程 對電子自旋馳讖影響 這一結果對認識和應用量子阱中電子自旋的注入和弛