（光学专业论文）gaas及其量子阱中电子自旋极化、相干与弛豫动力学研究.pdf

g a a s 及其量子阱中电子自旋的极化、相干与弛豫 动力学研究 专业：光学 博士生：滕利华 指导教师：赖天树教授 摘要 自旋电子学主要研究如何在固体中有效的控制电子的自旋自由度，希望利用 自旋自由度取代或结合传统电子器件中的电荷自由度，从而实现新型的自旋电子 学器件来代替传统的电子器件。然而，真正利用半导体的自旋自由度实现自旋电 子器件还有很长的路要走。原因在于半导体自旋电子学中电子自旋的极化、探测、 弛豫和输运等基本问题尚需进一步的深入研究。近年来，超短激光脉冲技术的发 展为人们研究光与物质相互作用的微观过程提供了高的时间分辨工具，本文利用 该技术围绕自旋电子学的自旋极化、相干及弛豫等基本问题进行了研究，具体如 下： 第一，研究了常温与低温下本征g a a s 导带中各能级带填充效应和带隙重整 化效应的相互竞争，发现带底附近有明显的饱和吸收现象，然而高过超能量态带 隙重整化效应强于带填充相应，出现吸收增强现象，并且能量越高吸收增强现象 越明显。理论模拟结果和实验结果很好的符合。 第二，发展了高过超能量态圆偏振光抽运一探测光谱的理论模型。理论上给 出了导带中非简并二能级系统的电子自旋极化度定义。发现实验量子拍的振幅不 仅仅依赖于电子初始自旋极化度，而是依赖于电子初始自旋极化度与自旋探测灵 敏度及带填充因子三者的乘积。基于此模型的模拟计算表明导带底的电子初始自 旋极化度仅约1 0 ，但电子初始自旋极化度随电子过超能量单调快速递增。当过 超能量仅大于3 0m e v 时，电子初始自旋极化度即可达1 0 0 ，表明g a a s 基自旋 电子器件应该工作在较高的过超能量态。 第三，研究了电子自旋相干和电子弛豫动力学的能量演化。计算表明量子 拍相位在1 5 6 e v 处翻转18 0 0 的现象起源于轻空穴价带一导带跃迁强度超过重空 穴价带一导带跃迁强度。发现从重空穴价带一导带跃迁探测到的电子g 因子与从 轻空穴价带一导带跃迁探测到的电子g 因子随过超能量服从不同的线性关系，从 而说明k p 理论的不完善性。发现自旋极化对电子弛豫动力学具有显著的影响。 仅在导带底附近测量时，利用时间分辨圆偏振光和线偏振光抽运一探测光谱测试 到的电子寿命一致，而在高过超能量电子态测量时，两种方法测试到的电子寿命 不一致。 第四，研究了g a a s 及其量子阱中电子自旋极化度和弛豫时间的浓度依赖。 在g a a s 量子阱的研究中发现，强散射极限下，载流子浓度比较低，d p 项的一 次方项起主要作用，由于散射对非均匀扩展的抑制增强，自旋弛豫时间增大。然 而，当载流子浓度足够大时，d p 项的三次方项起主要作用，由于非均匀扩展和 b a p 机制的增强，自旋弛豫时间随载流子浓度的增大而减小。发现体g a a s 导带 底附近电子初始自旋极化度小于通常认为的o 5 ，并且电子初始自旋极化度和自 旋弛豫时间均随光注入载流子浓度的增大而减小，但该现象并非起源于以前认为 的带隙重整化效应。体g a a s 中随载流子浓度的增大b a p 机制增强直至起主导 作用，电子自旋弛豫增强。 s p i np o l a r i z a t i o n ，c o h e r e n c ea n dr e l a x a t i o nd y n a m i c s i nb u l kg a a sa n d m u l t i p l eq u a n t u mw e l l s m a j o r ： o p t i c s n a m e ：l i h u at e n g s u p e r v i s o r ：p r o f t i a n s h ul a i a bs t r a c t s p i n t r o n i c si st om a n i p u l a t et h ec a r r i e r - s p i nd e g r e eo ff r e e d o mi ns o l i d s t a t e s y s t e m , w h i l et h ec o n v e n t i o n a lc h a r g e d e g r e eo ff r e e d o mw i l lb er e p l a c e do r c o m b i n e dw i t ht h a to fs p i n ，s ot h a ts p i n t r o n i cd e v i c e sc a nb ed e v e l o p e d h o w e v e r ， t h e r ea r em a n yp r o b l e m s ，s u c ha ss p i np o l a r i z a t i o n , s p i nd e t e c t i o n , s p i nr e l a x a t i o n , s p i nt r a n s p o r ta n ds oo n , t ob es t u d i e dd e e p l ya n du n d e r s t o o dw e l lf o rr e a l i z a t i o no f s p i n t r o n i cd e v i c e s i nr e c e n td e c a d e so fy e a r s ，t h ed e v e l o p m e n to fu l t r a s h o r tp u l s e l a s e rt e c h n o l o g yp r o v i d e sah i g ht e m p o r a lr e s o l u t i o nt o o lf o rt h es t u d i e so nu l t r a f a s t i n t e r a c t i o no fl i g h tw i t hm a t e r i a l s i nt h i sd i s s e r t a t i o n , a p p l y i n gt h eu l t r a s h o r tp u l s e l a s e rt e c h n o l o g y , t h es p i n - r e l a t e df u n d a m e n t a li s s u e sm e n t i o n e da b o v ea r es t u d i e di n d e t a i l s t h es p e c i f i ci n v e s t i g a t i o n sa r ea sf o l l o w s ： f i r s to f a l l ，t h ec o m p e t i t i o nb e t w e e nt h eb a n df i l l i n ga n db a n d g a pr e n o r m a l i z a t i o n e f f e c t si s i n v e s t i g a t e d a tr o o ma n dl o wt e m p e r a t u r e s ，r e s p e c t i v e l y a b s o r p t i o n s a t u r a t i o ni so b s e r v e dn e a rt h eb o t t o mo ft h ec o n d u c t i o nb a n d i ti sf o u n dt h a tt h e b a n d 。g a pr e n o r m a l i z a t i o ne f f e c ti ss t r o n g e rt h a nt h eb a n df i l l i n ge f f e c ta th i g h e r e x c e s s e n e r g yl e v e l s ，a n da b s o r p t i o ns a t u r a t i o nb e c o m e sw e a k e rw i t hi n c r e a s eo ft h e p h o t o ne n e r g y ，a n de v e nt u r n si n t oa na b s o r p t i o ne n h a n c e m e n t t h ea b s o r p t i o n e n h a n c e m e n tb e c o m e ss t r o n g e rw i t hi n c r e a s eo ft h ep h o t o ne n e r g y t h es i m u l a t i n g c a l c u l a t i o n sa g r e ew e l lw i t ht h ee x p e r i m e m a ld a t a s e c o n d l y , ac i r c u l a r l yd i c h r o m a t i cp u m p - p r o b em o d e li sd e v e l o p e df o rt h ec a s eo f h i g he x c e s se n e r g i e s t h ed e g r e eo fe l e c t r o n - s p i np o l a r i z a t i o nc o r r e s p o n d i n gt oa l l e n e r g y - s p l i tt w o l e v e ls y s t e mi sd e f i n e df o rt h ef i r s tt i m e s i m u l a t i o nb a s e do nt h e m o d e ls h o w st h a tt h eo s c i l l a t o r ya m p l i t u d eo ft h ea b s o r p t i o nq u a n t u mb e a t sr e f l e c tn o t o n l yt h ei n i t i a ld e g r e eo ft h ee l e c t r o ns p i np o l a r i z a t i o n , b u ta l s ot h eb a n d - f i l l i n g s t r e n g t ha n ds p i n - d e t e c t a b l es e n s i t i v i t y t h e i n i t i a l d e g r e eo fs p i np o l a r i z a t i o n i n c r e a s e sw i t hp r o b ep h o t o ne n e r g yo re x c e s se n e r g yo fe l e c t r o n sa n du pt o10 0 a t 3 0m e ve x c e s s e n e r g yl e v e l h o w e v e r , a tt h eb o t t o mo ft h ec o n d u c t i o nb a n d ，t h e i n i t i a ld e g r e eo f e l e c t r o n - s p i np o l a r i z a t i o ni so n l y10 t h i r d l y , t h ee n e r g ye v o l u t i o no ft h ee l e c t r o ns p i n c o h e r e n c ea n de l e c t r o n r e l a x a t i o nd y n a m i c sa r ei n v e s t i g a t e d s i m u l a t i n gc a l c u l a t i o ns h o w st h a tt h ep h a s eo f t h eq u a n t u mb e a ti sa l t e r e db y18 0 0a st h ep h o t o ne n e r g yi sl a r g e rt h a n1 5 6 e v b e c a u s et h es t r e n g t ho fl i g h t - h o l e - e l e c t r o nt r a n s i t i o nb e c o m e sd o m i n a n t t h egf a c t o r o ft h ee l e c t r o n sm e a s u r e d b yl i g h t - h o l e - a n dh e a v y - h o l e e l e c t r o nt r a n s i t i o n s ， r e s p e c t i v e l y , s a t i s f i e sad o u b l el i n e a re n e r g yd e p e n d e n c e ，a n dd i s a g r e e sw i t ht h e p r e d i c t i o no ft h ek pt h e o r y i ti sf o u n dt h a tt h es p i np o l a r i z a t i o nh a sas i g n i f i c a n t i n f l u e n c eo nt h ee l e c t r o n i cr e l a x a t i o nd y n a m i c s t h el i n e a r l y a n dc i r c u l a r l y - p 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 i cm e a s u r e m e n t so n l yg i v e sas a m er e l a x a t i o nl i f e t i m en e a r t h eb o t t o mo ft h ec o n d u c t i o nb a n d ，b u tad i f f e r e n tr e l a x a t i o nl i f e t i m ef o rt h eh i g h e r e x c e s s - e n e r g ys t a t e s f i n a l l y , t h ec a r r i e r - d e n s i t yd e p e n d e n c eo ft h es p i i lr e l a x a t i o na n dp o l a r i z a t i o ni s i n v e s t i g a t e di nb u l kg a a sa n dg a a sq u a n t u mw e l l i nag a a sq u a n t u mw e l l ，t h e l i n e a rd pt e r mi sd o m i n a n ta tl o wc a r d e rd e n s i t y w i t hi n c r e a s eo ft h ec a r d e rd e n s i t y , t h e s p i n - c o n s e r v i n gs c a t t e r i n g b e c o m e ss t r o n g ，w h i c ht e n d st o s u p p r e s s t h e i n h o m o g e n e o u sb r o a d e n i n gs ot h a tt h es p i nr e l a x a t i o nt i m ei n c r e a s e s h o w e v e r , w h e n t h ec a r r i e rd e n s i t yg o e su pt oe f f i c i e n th i g h , t h ec u b i cd pt e r mb e c o m e sd o m i n a n t ，a n d t h ei n h o m o g e n e o u sb r o a d e n i n ga n db a pm e c h a n i s mb e c o m es t r o n g e r , w h i c hr e s u l t s i nas p i nr e l a x a t i o nt i m ed e c r e a s ew i t hi n c r e a s eo ft h ec a r r i e rd e n s i t y i nb u l kg a a s ， t h ee x p e r i m e n t a le v i d e n c es h o w st h a tt h ei n i t i a ld e g r e eo ft h ee l e c t r o ns p i n p o l a r i z a t i o ni sl e s st h a n0 5 ，a n dd e c r e a s e sw i t ht h ec a r r i e rd e n s i t y t h et h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o ns h o w st h a tt h eb a n d d a pr e n o r m a l i z a t i o ne f f e c ti sn o tt h ep h y s i c a lo r i g i n o ft h i s p h e n o m e n o n i nb u l kg a a s ，t h eb a pm e c h a n i s mb e c o m e ss t r o n g e rw i t h i n c r e a s eo ft h ec a r d e rd e n s i t y , a n dd o m i n a n t e st h es p i nr e l a x a t i o na th i g hc a r r i e r d e n s i t ys ot h a tt h es p i i lr e l a x a t i o nt i m ed e c r e a s e s i v 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：愿锄绰 日期：砷年占月；日 学位论椭授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论 文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非 赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文 的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名： 日期：哮易月 雅绷哮 弓日 导师擀：了乙奄协 日期：。9 年月t - - 日 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导师指导下完成的成果，该成 果属于中山大学物理科学与工程技术学院，受国家知识产权法保护。在学期间与毕业后 以任何形式公开发表论文或申请专利，均须由导师作为通讯联系人，未经导师的书面许 可，本人不得以任何方式，与任何其它单位做全部和局部署名公布学位论文成果。本人 完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 鳞纲睇 日期：卯侔 月孑日 第一章前言 自旋电子学( s p i n t r o n i c s 或s p i ne l e c t r o n i c s ) 是一个由多种学科交叉而形成的新 兴领域，它利用的是半导体中的自旋态，包括载流子( 电子、空穴、激子) 的自 旋，核自旋、外来磁性原子的自旋。主要研究如何有效的操作控制固体中的电 子自旋自由度( 更广泛的意义上也包括原子核的自旋自由度) 1 - 3 j ，以期在器件 设计中使用自旋自由度来取代电荷自由度( 或与之相结合) 【4 ，一1 。人们对白旋电 子学的研究可以追溯到上个世纪三十年代中期，但一直未能发现电子自旋的应用 价值。直到1 9 8 8 年，法国巴黎南部大学f e r t 教授领导的实验小组在人工铁磁 非磁金属薄膜f e c r d 的交替周期结构器件中发现了巨磁电阻【6 7 】( g i a n t m a g n e t o r e s i s t a n c e ，g m r ) 效应，即多层膜的电阻取决于近邻层的磁化取向，该 发现被认为是以自旋为基础的电子学器件时代的开始，也是自旋电子学发展阶段 中的第一个阶段的起点，电子自旋的研究很快成为国际上一个新的热点，其后自 旋阀结构( s p i nv a l v e ) 的出现使得巨磁电阻效应的应用很快变为现实0 1 。自此 之后硬盘上单位面积的数据存储量就迅速增长，达到了前所未有的水平。后来人 们在磁隧道结结构中发现隧道磁阻( t u 肌e l i l l gm a g n e t o r e s i s t a n c e ，t m r ) 效应【1 1 1 2 1 ， 利用隧道磁电阻这一更先进的技术还可以制造出更新的信息存储器磁随机 存储器( m a g n e t o r e s i s t i v er a n d o ma c c e s sm e m o r y , m r a m ) 这种存储器具有数据断 电不丢失，可以与传统的随机存储器相媲美的开关速度和读写能力等优点。与传 统的磁盘容量相比，依据g m r 效应制作的硬盘存储器的容量可以提高近三个数 量级，引起了计算机存储领域的变革，并广泛的应用于现代计算机中，因此为了 表彰a l b e r tf e r t 和p e t e rg r u n b e r g 发现g m r 效应，他们被授予2 0 0 7 年的诺贝 尔物理学奖。这些与信息存储有关的自旋电子学器件其关键元件是用铁磁合金制 造而成的，这是三大类自旋电子器件的第一类，又称为磁电子学 ( m a g n e t o e l e c t r o n i c s ) ，也是目前发展最为成熟的一类。第二阶段应该是从1 9 9 0 年 d a t t a 和d a s 提出第一个基于电子自旋进动的d a t t a - d a s 自旋晶体管( s f e t ) 开始 【1 3 1 ，这一阶段希望能找到一种方法在半导体中产生和利用自旋极化电流来替代 电荷流( 或与之相结合) ，从而制造出自旋晶体管、自旋阀等自旋电子器件来代 替传统电子器件。这种器件一旦能够实用化，将充分利用现在的微电子制造技术 以及半导体材料优良的光学性能，实现电信号或光信号的放大，最终有望实现把 逻辑、存储、通信等功能集中在一块芯片上的新型多功能器件。自d a t t a - d a s 自 旋晶体管提出以后很多研究者又提出了多种自旋电子器件设计的方案【1 4 2 0 】，但目 前为止真正意义上的自旋晶体管尚未实现。自旋电子学发展的第三阶段试图实现 单个或几个电子的自旋状态的操控，由于少数电子的自旋相干时间要比大量电子 的长的多，因此人们认为可以利用电子的自旋来实现量子位、通过操作单个电子 的自旋状态来实现量子逻辑门等【2 m 5 1 。这一阶段较有发展潜力的是量子点系统， 并且可以制成量子点阵列，具有很好的扩展性。 由于自旋晶体管、自旋发光二极管等真正意义上的自旋电子学器件的实现还 有很长的路要走，因此自旋电子学第二个阶段的目标是近阶段的主要目标，本章 主要介绍目前提出的自旋电子器件的几种主要方案、制约自旋电子器件发展的主 要问题以及目前在这些问题上已经开展的研究。 1 1 自旋电子学器件 实验表明，在半导体中自旋弛豫时间可以相当长，自旋极化信息在输运过程 中可以穿越不同导体的边界并且可以保持足够远的距离，这些结果均意味着自旋 电子器件是有可能实现的，有关自旋电子学器件设计的研究早在1 9 9 0 年就已经 开始了【1 3 】，随着研究的深入，人们提出越来越多的自旋电子学器件的设计方案， 也就是自旋电子学发展的第二阶段，该阶段首先是希望利用自旋晶体管代替传统 晶体管，与传统晶体管器件相比较，自旋晶体管器件具有耗能少、开关时间快的 优点，传统的晶体管把在器件中产生一个足够高的势垒阻碍电子通过的状态设 为关，而把势垒高度降低以后，电流容易通过的状态设为开。这个过程需要消耗 大量的能量，其中包括开关时候的耗能以及静态保持晶体管状态时的耗能。而自 旋晶体管则不需要这样的开关能量。他采用电子自旋相关的势垒从源极中选择某 一方向极化的电子，并且用自旋相关的势垒形成漏极来检测自旋，只有在通道中 发生自旋翻转时，它才能进入漏极中，形成了开的状态，否则为关的状态。因此 2 对于自旋晶体管而言开关的关键是有效的控制通道中电子自旋的状态，一般情况 下对于半导体电子自旋的调节需要的能量大概在g e v 量级。虽然在实验上已经 实现了自旋选择的发光二极管2 6 ，2 7 1 ，但自旋晶体管的研究仍然主要停留在理论阶 段，不过随着研究的深入人们提出越来越多的自旋电子学器件的设计方案。我们 就这些设计方案加以简单介绍。 1 1 1d a t t a d a s 晶体管 1 1d a t t a - d a s 晶体管结构图 d a t t a - d a s 晶体管是d a t t a 和d a s 于1 9 9 0 年提出的一种基于高电子迁移率晶 体管结构的自旋晶体管设计方案，这是最早有关自旋电子学器件的设计方案【1 3 】 其结构如图1 1 所示，两端是铁磁的源极和漏极，均采用固定自旋取向的铁磁金 属制作，中间是i n g a a s 的薄层。由于r a s h b a 自旋轨道耦合产生的有效磁场 b = a e ：x k ，其大小正比于门电压v g 的大小，电子自旋通过通道时会绕该磁场进 动，从而进入右边漏极之前的自旋取向和从源极进入通道的自旋取向是不一致 的。通过调节门电压的大小可以有效改变自旋进动的周期，从而可以控制进入右 边漏极的自旋取向。 实现d a t t a - d a s 晶体管有两个需要解决的关键问题【2 8 1 ，一是自旋怎样从铁磁 电极有效注入n - - 维电子气( 2 d e g ) 及怎样才能检测到从2 d e g 来到第二个铁磁 电极的自旋；二是怎样通过自旋一轨道相互作用调制电子自旋进动的角度。最近， 3 s u g a h a r a 等人【2 9 】提出将源极和漏极的材料换成半金属磁体( h m f ) 当h m f 源极 和漏极的磁化平行时，高度自旋极化的载流子从源极注入到通道中，并传输到漏 极，当磁化反平行时，极化载流子则被漏极阻塞，这样使得器件的输出特性与源 极和漏极的磁化分布密切相关。数值分析表明，通过这种改进的自旋晶体管在平 行时有高的电流驱动能力，在反平行时驱动力弱，这样就可以获得大的磁电流比 值。更重种要的是，它可以满足自旋集成电路的需要，如对高放大能力的要求， 低的功率一延迟积等。 当然，源极和漏极的材料还可以用其它材料代替。h a l l 等人【3 0 】就将d a t t a 和 d a s 提出的s p i n f e t 中的铁磁金属电极用非铁磁材料代替，就可以得到非磁自旋 晶体管。将铁磁材料换成非磁半导体后，可以有如下优点：( 1 ) 避免了材料的复 杂性；( 2 ) 消除了由于采用磁接触产生的杂散磁场的影响；( 3 ) 器件的工作只与 外电场有关，这样可以使工作的调制频率提高( 与有磁场作用时的情况对比) 。 1 1 2j o h n s o n 晶体管 m a r kj o h n s o n 通过铁磁金属将自旋极化的电子流不断的注入到顺磁金属 中，使顺磁金属在自旋扩散长度范围内出现自旋积聚，产生非平衡磁化，同时利 用另一铁磁体将顺磁金属中的这一非平衡磁化转变成电信号，这一精巧设计的实 验使他首次成功地直接测量到自旋极化的电子在顺磁金属中的自旋弛豫时间，并 且据此j o h s o n 于1 9 9 3 年还提出了“铁磁金属一顺磁金属一铁磁金属”三明治结 构可作为一种新型的全金属自旋晶体管的构想，并且设计制作了这种自旋晶体管 的雏形 3 1 , 3 2 j 。 其基本结构如图1 2 所示，j o h n s o n 晶体管两端的铁磁电极分别称为发射极 和集电极，中间的电极称为基极。和三极管一样，这种设备可以有多种不同的配 置和使用方法，图1 2 所示的配置可以作为自旋过滤器。我们让集电极悬空，用 高阻抗的伏特计来测量集电极上的电压，同时在发射极和基极通电流。该电流导 致基极产生自旋积聚。由于集电极是悬空的，静态时基极和集电极之间没有电流 通过，因此基极和集电极之间的电化学势是平衡的，在极端情况下，假设集电极 4 由自旋极化非常高的材料制成，集电极只有一种自旋取向的电子，那麽集电极的 电化学势就和基极中与它自旋取向相同的电子的电化学势相同。如果在基极上存 在自旋积聚，自旋向上和向下电子之间的电化学势就不同【3 3 1 。这样一来集电极上 的电压高低就取决于它的磁矩是平行还是反平行于发射极上的磁矩。因此和普通 三极管一样，j o h n s o n 晶体管中集电极的电学性质可以通过调整发射极和基极来 控制。此外还可以通过一个外加磁场改变集电极自旋取向来调节集电极的电学性 质。 f e r r of e r m 1 1 3s p i c e 自旋晶体管 1 - 2j o h n s o n 晶体管结构图 该晶体管是基于s i 基片制作的，其全称为s p i np o l a r i z e di n j e c t i o nc u r r e n t e m i t t e r ( s p i c e ) 晶体管，是由英国牛津大学g r e e g 领导的自旋电子研究小组和约 克大学s a r a ht h o m p s o n 领导的磁性薄膜研究小组共同提出的p 4 4 0 1 。 图1 3 是其原理图，该器件由自旋极化电流注入的铁磁发射极、半导体( s i ) 基极和自旋相关铁磁发射极构成，其中基极能使自旋极化载流子非平衡分布。其 工作原理是：铁磁发射极通过隧道结势垒注入白旋极化电子到s i 基极，这些极 化的少子在基极中扩散，然后被铁磁电极通过另一个隧道结有选择的俘获。这种 形式的自旋晶体管与普通晶体管一样，基极中的载流子散射和复合速率都低，因 而可以实现电流增益。目前已实现在室温下，电流增益为1 4 ( 对n 型基) 和o 9 7 ( 对p 型基) ，而且该器件对磁场敏感，在7 9 5 7 7 5 a m ，磁电流的变化率达1 4 0 s 集 1 1 4m o n s m a 晶体管 磁性分析层 磁性极化层 1 3s p i c e 晶体管结构图 1 9 9 5 年，基于非平衡自旋相关输运的特性，m o n s m a 等人h 1 】提出了自旋阀 ( s v t ) 的概念，它是第一个将铁磁金属与半导体混合集成的自旋器件。在该器 件中，用多层磁性非磁性金属薄膜构成的自旋阀( s 多层巨磁电阻薄膜替换了 普通晶体管的基极，同时s v 与集电极、发射极在界面处形成肖特基接触，其典 型结构如图1 4 所示。 1 - 4 自旋阎晶体管结构 其工作原理是利用热电子输运效应 4 2 , 4 3 】：从正偏发射极注入热电子到基极 s v 中，形成发射极电流i e ；集电极的肖特基二极管反偏或零偏，当热电子穿过 s v 时，将受到弹性和非弹性散射，只有那些具有足够能量和适当动量的热电子 才可以越过集电极势垒，形成集电极电流i c ；同时自旋相关散射对热电子在s v 6 中的运动起至关重要的作用：当两磁性层的磁化平行时，自旋相关散射小，热电 子能顺利穿过s v 到达集电极；而当两磁性层的磁化反平行时，由于强的自旋相 关散射，到达集电极的热电子数就少，从而使集电极电流很小。因此集电极的电 流对自旋阀中磁性层的磁化状态非常敏感，由于s v 中的磁性层的磁化状态可以 用合适的外加磁场控制，故可以得到一个与磁场有关的集电极电流。 1 1 5 自旋发光二极管 在一个g a a s 发光二极管的n 极，加一层稀磁半导体b e m n z n s e 外加几个 特斯拉的磁场将使b e m n z n s e 中的电子能级产生巨z e e m a n 分裂，使得通过该层 的电子大部分通过下面的能级，也就是自旋向下。自旋向下的电子和p 极输入的 自旋无规取向的空穴在g a a sl e d 中复合，产生圆偏振光。 1 2 自旋电子学存在的主要问题 无论是自旋电子学发展的第二阶段还是第三阶段都还有很多问题需要解决， 主要包括： 1 如何提高电子自旋注入效率，由于自旋电子学需要有效的操作和控制电 子的自旋自由度，利用的是电子的自旋极化，因此，如何提高电子的自旋极化度 是自旋电子学发展的先决条件。 2 自旋极化的探测，即如何从半导体中收集有关载流子自旋的信息。 3 自旋弛豫机制以及自旋弛豫时间。某些自旋电子器件如自旋光开关等要 求超快的自旋弛豫过程，而在量子信息存储等应用中则需要电子的自旋极化保持 较长的弛豫时间，因此研究电子自旋弛豫时间随材料结构、环境因素的变化是自 旋电子器件设计的前提。 4 自旋在半导体中的空间输运距离。即载流子的自旋极化信息在半导体材 料中能维持多远。 5 自旋控制，即如何操纵和控制自旋取向。 7 下面将逐一介绍目前在这四个方面的主要进展。 1 2 1 自旋极化 实验上一般采用的方法有光学取向法和电学注入法。 一光学取向法 光学取向方法产生自旋极化是在自旋弛豫实验中最早采用的方法 4 4 , 4 5 1 。利用 光子的角动量选择激发某一方向自旋的电子，不仅可以高效率地注入自旋布居， 还是探测电子和空穴自旋超快弛豫时间的一个有力手段，在自旋动力学实验研究 中被广泛使用。 m j - - 1 2m j = 1 2 1 5g a a s 体材料中的跃迁选择定则 通过入射能量大小为导带和价带带隙的圆偏振光到半导体，价带特定自旋的 空穴可以吸收光子的角动量从而跃迁到导带电子【4 4 】。对于体g a a s ，导带对应于 i - 4 - 1 2 态，轻、重空穴价带分别对应于l 1 2 和i 3 2 态，轻、重空穴价带 在r 点( k = 0 的点) 简并，自旋分裂带对应于i - 4 - 1 2 态，而由重空穴价带、轻 空穴价带以及自旋分裂带到导带的跃迁强度比为【4 6 1 3 ：1 ：2 按照如图1 5 所示的 选择定则我们知道，假设右旋圆偏振光( o + ) 激发，如果激发光子能量e e g + 鲫， 其中厶。为自旋分裂带能量，则对应于重空穴价带i - 3 2 态到导带i _ 1 2 态的跃 迁，轻空穴价带i - 1 2 态到导带l1 2 态的跃迁以及自旋分裂带l - 1 2 态到导带 8 1 2 态的跃迁共三种跃迁，从而在导带中注入等量自旋取向向上和向下的电子， 即电子初始自旋极化度为0 如果激发光子能量乓 态，轻空穴价带i - 1 2 态到 导带i1 2 态两种跃迁，因此在导带内注入的自取向向下的电子数为自旋取向向 上电子数的3 倍，对应于电子初始自旋极化度为5 0 同理，假设左旋圆偏振光( o - ) 激发，如果激发光子能量e e g + 。电子初始自旋极化度为0 ，如果激发光子 能量乓 态，轻空穴价带、重空穴价带到导带的跃迁强度比为l ：3 ，轻、重空穴价带和导 带的带隙分别为乓和忍+ a e g ，因此我们可以选择合适的激发波长使得激发光 子能量& e e g + 皈，只激发重空穴价带，从而获得1 0 0 的电子初始自旋 极化度。 二电学注入法 电学注入法主要是从铁磁金属磁性半导体稀磁半导体注入到半导体中，根 据接触界面的不同情况，可以分为欧姆注入、遂穿注入。 ， 9 ( i ) 欧姆注入 在铁磁金属和半导体之间形成欧姆接触，预期将在半导体内产生自旋极化的 电流。但是，典型的金属一半导体欧姆接触是产生在重掺杂的半导体表面上，从 而导致自旋反转散射和自旋极化的丧失，因而注入极化电子的效率较低。早期的 研究主要集中在铁磁金属和i n a s 间的接触。i n a s 是少数能与过渡金属形成理想 的突变界面的一类半导体，预期将实现欧姆型无肖特基势垒的接触。尽管对f m i i a s 欧姆接触注入进行了充分研究，但至今在t 1 0 k 的低温下只达到4 5 的 自旋极化的欧姆注入f 4 7 】。gs c h m i d t l 4 8 1 等人从理论上研究了f m - n f 欧姆接触自 旋电注入，发现自旋电注入效率与欧姆接触的两种材料的电导率有关。当 仃f 仃时，自旋注入效率高，如f m s u p e r c o n ，大于4 0 反之，当仃，仃时， 自旋注入效率非常低，f m s e m i c o n 正是这种情况。只有在铁磁体的传导电子是 接近1 0 0 自旋极化的，才能期待在扩散输运下实施有效的自旋注入。最近， j o h n s o n 等人【4 9 】采用新的途径可以克服上述自旋注入的障碍，即利用束缚于半导 体二维量子阱内的电子自旋简并的分裂效应。这种分裂效应是由于束缚势的非对 称性导致自旋一轨道间的耦合作用引起的。如果二维电子气承载着电流，由于非 平衡自旋极化便会感生此效应。但是，正如在欧姆接触的实验中所看到的，器件 电阻随铁磁金属磁化取向的变化只发生很小的变化，这种注入方式仍然存在其它 一些问题。 ( i i ) 隧穿注入 降低铁磁金属和半导体之间的电导不匹配也可以通过隧穿注入来实现。 r a s h b a 分析指出【5 0 1 ，在铁磁材料和半导体之间加入一个隧穿效率依赖于自旋的 隧穿结以后，自旋注入效率) ，为： y = 丛型型堂堂塑， r r s 其寺， r 唱= r f + r s + r c 。 rf =lf 6f ? 4 6 ；o ： 。 r s = l 3 | 6s。 l o r c = z 4 x t 上，a e = t - ej r ，= t + j r ，a c t = a f 一仃f ，仃，= a f + 仃f 。l f 和l s 分别为铁磁材料和半导体中的自旋扩散长度，仃# ( 盯f ) 和t ( 山) 则分 别是铁磁体和隧穿结中自旋向上( 向下) 的电导，仃。是半导体电导。对于一般 的金属和半导体r f ，c ，那麽y a a f 仃f ；自旋注入效率由铁磁体决定。反之， 如果0 名，0 时，y 0 ，自旋极化电流进入半导体后就几乎完全消失；而在 隧穿结的电阻很大的情况下 r p ，那麽y a y x ，注入效率完全由隧穿结决 定。也就是说在隧穿注入中注入效率由铁磁体、隧穿结和半导体中电阻最大的一 个环节决定。 因此，在增加隧穿结之后，就可以通过调节隧穿结电阻来消除铁磁金属和半 导体之间的自旋不匹配，从而实现效率比较高的自旋注入。a l v a x a d o 和r e n a u d 使用铁磁性材料做隧道扫描显微镜的探头扫描半导体表面，他们发现通过真空隧 穿可以高效的把自旋极化电子注入到半导体【5 1 】。同样的我们可以预计使用铁磁性 电极的金属一绝缘体一半导体隧穿二极管或者金属一半导体s c h o k k t y 势垒二极 管将会实现高效的自旋注入。m o t s n y i 最近报道他们利用结构为 f e c o a 1 0 ( a 1 , g a ) a s g a a s 的铁磁金属一绝缘体一半导体隧穿结实现了室温下 1 1 的注入效率 5 2 o j i a n g 等人【5 3 1 最近报道从c o f e m g o ( 1 0 0 ) 隧穿结注入到g a a s 中的注入效率在10 0 k 的温度下达到5 7 ，在2 9 0k 的温度下达到4 7 目前还 有人在研究如何在半导体表面上长出界面清晰并且有高质量的s c h o k k t y 铁磁性 薄膜，比如在g a a s 表面上生长出f e 或者f e 0 1 5 4 1 z h u 等人报道他们使用这类 f e g a a ss c h o k k t y 二极管在室温下的注入效率可达【5 4 1 2 ( i i i ) 自旋霍尔效应 早在1 9 7 1 年d ，y a k o n o v 和p e r e l 就已经指出了相应的效应【5 5 】，在有自旋轨 道耦合的样品中施加电场，由于e y 自旋轨道耦合会给出自旋翻转的散射，导致 在垂直于电流方向的样品边界产生自旋累积，并且样品两边积累的自旋极化方向 相反【5 6 1 ，2 0 0 4 年，k a t o 等人【5 7 】首次测量到自旋的累积。这样产生的自旋极化不 需要任何的外加磁场以及平衡态时的磁有序。无论是光学取向还是从铁磁中注入 自旋极化，都是将外界的自旋信号引入到半导体系统中。然而，自旋霍尔效应可 以用电的方法在半导体内部产生自旋极化。这种自旋霍尔效应对应着外凛自旋霍 尔效应。在自旋电子学发展的这几年，特别是m u r a k a m i 等人【5 8 】在p 型半导体材 料以及s i n o v a 等人【5 9 】在，z 型半导体材料中提出了“无耗散”的内凛自旋霍尔流 以后，自旋霍尔效应引起了理论上【5 8