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g a a s 半导体中电子自旋相干弛豫动力学研究 论文题目： 专业： 硕士生： 指导老师： g a a s 半导体中电子自旋相干弛豫动力学研究 光学 徐海红 赖天树教授 摘要 本文发展了v o i g t 结构中的椭圆偏振光泵浦一探测光谱及其理论。推导出一 个描述吸收量子拍光谱的公式。这种光谱是观察半导体及其量子结构中电子自旋 相干弛豫动力学的一种很好的实验手段，具有实验操作容易，设备造价低，图像 清晰，适用范围广等优点，具有广阔的应用前景。 本文应用这种光谱技术实验上系统研究了v o i g t 结构中本征砷化镓电子自 旋相干弛豫动力学。发现饱和吸收衰减是等周期阻力振荡式的，即吸收量子拍。 通过能量依赖实验，证实这种量子拍起源于电子，而不是激子的自旋的l a r m o r 进动，因而量子拍频率成为度量电予g 因子的一种新方法。本文利用这种新方法 研究了g a a s 中电子g 因子的温度和能量依赖特性。g 因子的温度依赖性与已报 道的实验结论一致，而能量依赖特性是首次报道，但温度和能量依赖均与现有的 理论预测不一致，表明现有理论的不完善。 研究了自旋相干动力学的温度依赖，获得了8 1 2 6 0 k 温度范围内的电子自 旋相干时间的温度依赖。发现自旋相干弛豫时间f 与温度的负二分之一次方成 正比，为b a p 自旋退相干弛豫机制提供了实验支持。 关键词：自旋相干弛豫，椭圆偏振光泵浦一探测光谱，自旋量子拍，g 因子，g a a s 中山大学硕士学位论文 t i t l e ： m a j o r ： a u t h o r ： a d v i s o r s t u d i e so ne l e c t r o ns p i nc o h e r e n c ed y n a m i c s i ng a a ss e m i c o n d u c t o r o p t i c s x uh a i h o n g p r o f l a it i a r l s h u a b s t r a c t t i m e - r e s o l v e de 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 ns p e c t r o s c o p y ( t r e p p p a s ) a n di t st h e o r ya r ed e v e l o p e dt oo b s e r v ee l e c t r o ns p i nc o h e r e n c e d y n a m i c si nv o i g tg e o m e t r y a na n a l y t i c a lm o d e li sd e v e l o p e dq u a n t i t a t i v e l yt o d e s c r i b et h eq u a n t u mb e a t sa n du s e dt of i te x p e r i m e n t a ld a t a t h i ss p e c t r o s c o p yi sa g o o ds p e c t r o s c o p i c t o o lt o i n v e s t i g a t e e l e c t r o n s p i n c o h e r e n c ed y n a m i c si n s e m i c o n d u c t o r sa n dq u a n t u ms t r u c t u r e s i th a st h ea d v a n t a g e si n c l u d i n ge a s eo f o p e r a t i o n ，e c o n o m yo ft h ee q u i p m e n t ，c l e a rp h y s i c a lp i c t u r e ，a n dw i d ea p p l i c a b i l i t y e t c i nt h i st h e s i s ，e l e c t r o n - s p i nc o h e r e n c er e l a x a t i o nd y n a m i c si ss t u d i e di nv o i g t c o n f i g u r a t i o nf o ra ni n t r i n s i cb u l kg a a su s i n gt r e p p p a s i sf o u n dt h a tt h ed e c a y i n g o fa b s o r p t i o ni sd a m p e do s c i l l a t o r y , o rq u a n t u mb e a t s ，w h i c ha r ep r o v e no r i g i n a t i n g f r o ml a r m o rp r e c e s s i o no fe l e c t r o n s p i n ，n o te x c i t o n sb ya n e x c e s s e n e r g y - d e p e n d e n c ee x p e r i m e n t t h e r e f o r e ，t h ef r e q u e n c yo ft h i sq u a n t u mb e a t si su s e da sa n e wm e t h o dt om e a s u r ee l e c t r o n i cgf a c t o rw i t hh i g ha c c u r a e yt h i sn e wm e t h o di s u t i l i z e dt oi n v e s t i g a t et h et e m p e r a t u r ea n de n e r g yd e p e n d e n c eo fe l e c t r o n i cgf a c t o ri n t h ei n t r i n s i cg a a s t h et e m p e r a t u r ed e p e n d e n c eo fgf a c t o ra g r e e sw e l lw i t ht h e r e s u l t sr e p o r t e dp r e v i o u s l y t h ee n e r g yd e p e n d e n c eo fgf a c t o ri sr e p o r t e df o rt h ef i r s t t i m e b o t ht e m p e r a t u r ea n de n e r g yd e p e n d e n c eo fgf a c t o ri sn o ti na g r e e m e n tw i t h t h ep r e s e n tt h e o r e t i c a lp r e d i c t i o n ，w h i c hs h o w st h a tt h ep r e s e n tt h e o r yi si m p e r f e c t t h et e m p e r a t u r ed e p e n d e n c eo fs p i nc o h e r e n c ed y n a m i c so fe l e c t r o n si ss t u d i e d t h et e m p e r a t u r ed e p e n d e n c eo fs p i nc o h e r e n c el i f e t i m ei so b t a i n e df o rat e m p e r a t u r e g a a s 半导体中电子自旋相干弛豫动力学研究 r a n g eo f8 i 一2 6 0k i ti sf o u n dt h a tt h et e m p e r a t u r ed e p e n d e n c eo fs p i nc o h e r e n c e l i f e t i m e ( 巧) a g r e e sw e l lw i t h ar e l a t i o n s h i p 巧t 。彪，w h i c hp r o v i d e sa l le v i d e n c e t os u p p o r te l e c t r o n s p i nd e c o h e r e n c ed o m i n a t e db yb a pm e c h a n i s m k e y w o r d s ：s p i nc o h e r e n c er e l a x a t i o n ，e 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 es p e c - t r o s c o p y ，s p i nq u a n t u mb e a t ，gf a c t o r ，g a a s 1 1 g a a s 半导体中电子自旋相干弛豫动力学研究 第1 章电子自旋相干弛豫研究背景及意义 1 1 电子自旋的发现 1 9 2 1 年，施特恩( 0 s t e m ) 一盖拉赫( wg e r l a c h ) 实验发现银( a g ) 原子 经过不均匀磁场时分裂为两束，表明银原子在磁场中有两个取向，有力地证明了 原子角动量空间量子化的存在。然而，实验给出的银原子在磁场中只有两个取向 的事实，却是当时空间量子化的理论所不能解释的。后来他们用氢原子做了类似 的实验，两者结果是一致的。按照空间量子化理论，当轨道角动量量子数卜一定 时，轨道角动量三在z 方向应当有2 1 + 1 个取向，即磁量子数m ，等于2 l + 1 ，由 于z 是整数，2 l + 1 就一定是奇数( 银原子和氢原子基态的轨道角动量量子数，都 为零) 。为了解释施特恩一盖拉赫实验出现偶数分裂的事实，乌伦贝克( ge u h l e n b e c k ) 和古兹米特( s g o u d s m i t ) 于1 9 2 5 年提出电子具有自旋的假设：电 子不是点电荷，它除了绕原予核旋转外，还绕自己的轴自旋，它具有固有的自旋 角动量s ，且在z 方向的分量只有两个，为士a 2 ，即自旋量子数m 。只能取土1 2 两个数值。其中正负号分别表示“自旋朝上”和“自旋朝下”，h 是量子物理中常用 的基本物理常数，称为普朗克常数。 1 2自旋电子器件一电子自旋的使用价值 电子自旋自发现后好长一段时间，人们一直没有找到它的使用价值，现代电 子器件只用到了电子的电荷特性。直到1 9 8 8 年，法国科学家m n b a i b i c h 1 1 等 人在人工铁磁非磁金属薄膜( 0 0 1 ) f e ( 0 0 1 ) c r 交替周期结构器件中发现了巨 磁阻( g m r ) 【1 ，2 1 效应，电子自旋的使用价值才开始被人们认识到。他们用电磁 学或光学的方法改变其中一层磁性材料中电子自旋取向，控制其中的相对磁化取 中山大学硕士学位论文 向，器件的电阻可以由小( 同向磁化) 到大( 反向磁化) 变化。与传统电子器件 相比，基于自旋的电子器件具有许多优点，如体积小，速度快，功耗小，信息不 易丢失【3 】等，因此对电子自旋的研究很快成为国际上一个新的研究热点，形成一 门新的学科领域一自旋电子学。 目前自旋电子器件的工作原理基本都是基于巨磁阻效应，研制成功的有巨磁 电阻( g m r ，c m r ) 4 - 6 ，自旋阀( s v ) ，8 1 ，磁隧道结( m t j ) 1 9 , 1 0 等。g m r 器件的结构与b a i b i c h 等人报道的结构相同，利用相邻铁磁金属薄膜层间的自旋反 向平行耦合，实现高阻态，而在适当强度外磁场作用下，所有铁磁金属薄膜层中 电子自旋取向平行，实现低阻态。自旋阀是由两个铁磁层( 通常是镍、铁和钴的 合金) 和一个非磁的金属( 通常是铜) 构成的三明治结构。两个铁磁层中一层磁 矩被固定，这层的磁矩对外场的调制不敏感，而另外一个铁磁层则相对自由，它 的磁矩很容易改变，这个装置可以用来测量和检测磁场。s v 型磁感应器用作计 算机硬盘中的磁读头，取得巨大成功，使硬盘的存储密度在过去1 0 年中提高了近 千倍。磁隧道结的结构与自旋阀很类似，只是在固定层和自由层之间加入一个薄 的绝缘层( 通常是氧化铝) 。用m t j 替换光电隔离器后，电路的响应速度可提高 1 0 0 倍。正在研制近期将具有商品化的磁性随机存储器( m r a m ) 1 1 1 , 2 ，利用磁 滞来存储信息，用磁阻来读取数据。它的基本原理与硬盘的记录原理相同，也是 采用磁化的方向来记录0 和1 。与以往的电随机存储器相比，其速度是后者的1 0 0 0 倍。而且只要外场不改变，磁化的方向就不会改变，由于磁性的永久存储特性， 所以m r a m 属于非挥发的随机存储器，用于计算机后，计算机就不需要每次开 机都重新启动和初始化，而是开机后继续上次关机时的状态运行，即m r a m 在 掉电后仍能保持原来的存储信息。 电子自旋更广泛的应用依赖于自旋电流的放大，即制作自旋晶体管。晶体管 可以说是目前整个信息社会背后最重要的电子组件，主要功能是利用外加的电压 来控制电流的放大及通过与否。自旋是电子的固有属性，角动量本身具有向上、 向下两种空间取向，于是科学家提出了利用电子自旋性质来控制电流的通过与 否，进而产生类似晶体管效应的设想。目前已经提出了几种自旋晶体管的研制方 案 1 3 , 1 4 】。另一方面，被很大程度上延长的自旋相干态寿命 1 5 - 1 7 1 使得自旋态作为量 子位用于量子计算和信息处理【1 8 - 2 1 ，进而制作量子计算机 2 2 , 2 3 1 成为可能。 g a a s 半导体中电子自旋相干弛豫动力学研究 1 3自旋电子学领域中的主要问题 目前几乎所有重要的电子及光电组件如c m o s ，h bt h e m t , l e d ，l a s e r ， r t d ，f e t 等均是由半导体做成。但g m r 、s v 等均是基于磁性金属( 铁磁金属) 基础上的自旋电子器件，基于铁磁金属难以实现自旋电流的放大【2 4 】，而且与建立 在半导体材料基础上的传统半导体工艺不兼容。科学家们希望在半导体电子器件 中也能够利用电子自旋特征，制作出半导体自旋电子器件。因此，半导体自旋电 子学是目前国际上自旋电子学的研究热点之一，人们希望利用半导体中电子和空 穴的自旋自由度实现自旋电子器件与传统电子器件的集成制造。 1 3 1 半导体中的自旋极化或注入 由于半导体中电子和空穴的自旋取向是各项同性的，要在半导体材料中运用 自旋性质，首先要解决的问题就是在半导体材料中实现自旋的极化或注入。 氤二厨 注入 b 图1 - 1 电子自旋极化和注入示意图 自旋极化或注入就是将自旋取向各向同性变为各向异性，产生净自旋磁矩的 中山大学硕士学位论文 过程，分别如图l 一1 中a 、b 所示。 目前报道的极化和注入方法主要有圆偏振光激发【2 5 。0 】和电子注入法 2 6 , 3 1 - 3 4 l 。 利用光子的角动量选择激发某一方向自旋的电子，是一种高效率的自旋极化方 法。f i e d e d i n gr 【2 5 1 等人设计了一种自旋l e d 2 5 , 2 6 l ，利用磁性半导体和非磁半导 体之间的电子自旋注入，自旋偏振电流的注入效率达到9 0 ，对应的发光圆偏振 度为0 4 5 。光注入方法在自旋动力学实验研究中被广泛使用，本论文第二章中将 有较为详细的描述。自旋偏振的电子注入方法主要用在半导体电子自旋器件的大 规模工业生产和研制中。一种方式是用铁磁材料作源极，通过电注入将磁化的铁 磁体中的自旋一致的电子注入到半导体中。但是铁磁体与半导体的欧姆接触界面 粗糙，电子受到强的界面散射容易失去自旋取向( 自旋反转散射) ，因而注入极 化电子的效率较低1 3 3 , 3 4 1 。另一种方式是用稀磁半导体材料作源极，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。稀磁半导体材料具有磁性和半导体材料的特征， 与微电子材料生长和器件工艺匹配。在很低的磁场下，电子几乎全部处在能量低 的自旋态上，因此，此类材料可以充当自旋极化源。 研究发现，c c f m 金属2 维电子半导体f m 金属” 3 1 , 3 2 】结构，由于2 维半导体 夹层的电阻较高，其电导是不依赖于自旋的，当铁磁体的磁化由平行变为反平行 时，电阻的整体变化很小。因此，在扩散区是很难获得对半导体的自旋注入的。 c m h u ”】等人做的实验发现当温度小于1 0 k 时，半导体( i n a s ) 中自旋偏振注 入效率仅为4 5 。gs c h m i d t 3 4 】等人从理论上研究了f m - n f m 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c r f d 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c r f c r n 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。 1 3 2 自旋弛豫寿命 尽管实现自旋偏振( 极化) 的注入是自旋电子学技术的重要基础，但是要完 成自旋电子学的特殊功能，还要看这些自旋极化的电子或空穴在器件中运动能够 保持它们的自旋取向多长时间，希望其能保持足够长以致满足信息存储和逻辑处 g a a s 半导体中电子自旋相干弛豫动力学研究 理的需要。这个时间常常称为自旋寿命，也叫自旋弛豫寿命。用公式表示为 l t n ( t ) d t r = 一 ( 1 - 1 ) i n ( t ) d t o 1 它和弛豫速率y = 三一起构成了衡量自旋弛豫过程快慢的参数，包括纵向弛 f 豫时间z 和横向弛豫时间( 退相时间) 正。这是因为自旋电子在运动过程中会 经历各种各样的干扰，从而使不同方向的白旋趋于平衡。纵向弛豫时间描述的是 两个自旋态布居的变化，是指由初始自旋极化趋于自旋平衡的过程，而横向弛豫 时间又叫退相时间( d e p h a s i n gt i m e ) ，与自旋波函数的相位衰减有关。在半导体 纳米结构中，一个电子可以记忆它的初始白旋方向的典型时间达纳秒( n s ) 1 3 5 , 3 6 量级，这个时间标度与电子的动量弛豫时间飞秒( f s ) 量级相比的确是很长的。 显然，自旋寿命越长越有利于做出更好、更可靠的自旋电子学器件。所以，自旋 弛豫的研究对于以自旋为基础的技术十分重要，我们必须能够控制电子的自旋弛 豫行为以满足信息存储和逻辑处理的需要。 为了控制自旋弛豫行为的快慢，必须了解载流子自旋弛豫的物理机制。人们 对半导体材料中的自旋弛豫机制已进行过许多研究，认为半导体中的自旋弛豫机 制”1 包括：来源于缺乏中心反演对称性材料的导带的自旋轨道分裂( 这称为 d y a k o n o v p e r e le f f e c t ，d p 机制) 3 8 1 ；受自旋轨道耦合作用影响的自旋本征态 的混合叠加而直接导致自旋翻转的动量散射( e l l i o t t y a f e te f f e c t ，e y 机制) 3 9 1 ， 和电子一空穴碰撞散射交换相互作用( b i r - a r o n o v p i k u se f f e c t ，b a p 机制) 4 0 , 4 1 。 在这些机制中，其相对重要性不仅依赖于材料的性质，如自旋一轨道耦合和基本 带隙情况，而且还依赖于某些参数，如维度，温度，动能，散射时间和掺杂等。 最近几年来用飞秒脉冲激光器的时间分辨光谱对自旋弛豫时间进行了广泛的研 究 4 2 4 7 。 1 。3 。3 自旋输运、检测和控制 要实现半导体自旋电子器件制造，除了解决上述电子自旋的基本问题外，还 中山大学硕士学位论文 需要解决电子自旋的输运、控制和检测等问题。这些问题都是目前白旋电子学的 研究热点。美国加洲大学圣巴巴拉分校的d d a w s c h a l o m 教授的研究小组在自 旋问题研究中作出了许多开创性的研究工作。他们首先研究了g a a s 中电子自旋 相干的输运，发现g a a s 中电子自旋在1 6 v c m 的电场中能够输运1 0 0 9 m 【1 7 1 , 这 样的输运尺度己基本上能满足器件制造需要。自旋输运长度，又叫自旋扩散长度， 它表示电子在固体中不丧失自旋相干的扩散长度。自旋输运长度的典型值是微米 ( g m ) 量级，这个重要事实使得在将来的微电子及纳电子学应用领域中使用电 子的自旋性质具有可行性，任何电子自旋携带的信息编码将不受干扰地在整个器 件中传播。在i i v i 族半导体量子阱中，他们发现电子的自旋即使在室温下也能 够保存几个n s i ”j 。 在自旋的控制方面，他们提出了超快光【4 8 】电控制电子自旋相干的方法。 自旋控制就是要控制自旋偏振方向的翻转，这是实现自旋电子器件的必要条件。 在铁磁金属中可以使用磁场控制自旋取向的翻转，但磁场难于做到精确的点控 制。瑞典的y a c r e m a n n 等人报道了超快磁场的产生【5 “，有望用于自旋的磁控制。 前面的自旋弛豫、输运实验研究中均使用光学方法检测自旋，但作为器件应用， 最好使用电，磁方法检测自旋更实用、方便。目前还没有有效的电子自旋的电磁 检测方法报道。s d g a n i c h e v 等人提出了将自旋转换为电流的检测方法【5 ”，该 方法仍然基于铁磁金属的自旋分裂，即用铁磁金属做电极，只有与铁磁金属费米 能级处的电子自旋取向一致的电子才能够有效通过。 上述所有问题的初步研究，为原理性的半导体自旋电子器件设计提供了重要 参考和指导，但距实际的半导体自旋电子器件研制还有相当遥远的距离，有许多 理论、技术问题有待研究解决。 1 4电子自旋偏振与退相干弛豫研究方法与现状 由于半导体材料中自旋向上和向下电子的能级本身是简并的，所以，自旋偏 振电子分布会向自旋平衡分布趋近。电子自旋弛豫是目前国际上的研究热点，研 究各种环境因素、材料结构等对电子自旋寿命的影响，探索延长自旋寿命，减慢 自旋弛豫速率的途径。目前发展的电子自旋偏振和退相干弛豫研究方法主要有光 g a a s 半导体中电子自旋相干弛豫动力学研究 致发光法、法拉弟转角法和饱和吸收光谱法。 1 4 1电子自旋偏振与相干弛豫的光致发光光谱研究 1 9 8 0 年，r r a l n m o 5 2 1 首次应用条纹照相机观察了自旋偏振弛豫动力学过 程，在发光圆偏振度等于电子自旋偏振度假设下，研究了电子自旋偏振度随时间 的变化关系。 文献 5 2 给出的发光圆偏振度弛豫方程为： 删2 器篇 ：笠盟二丝塑 m ( f ) + - ( f ) 根据速率方程可求解得： ( f ) = 等( 1 + 型炒 簇训。儡z ， 嬖( 1 岛p w ) 8 “( 1 - 3 ) 用此方法对g a a s 进行实验研究，得到温度在7 7 k 时，电子的复合时间为 1 9 6 - 士1 4 p s ，自旋退偏振时间为8 8 a ：3 4 p s 。作者认为他们的实验结果可以用电子一 空穴复合相互作用4 1 j 2 1 来解释。 当施加磁场垂直于激发光波矢时( v o i g t 结构) ，电子自旋磁矩会产生相干进 动( 拉莫尔进动) ，即相反自旋态之间的电子布居密度会发生周期振荡，频率为 拉莫尔进动频率v = g t a b b h 。 vl a n g e r 5 3 1 等人首次在a g b r 中观察到自由激子的共振发光量子拍现象。后 来a p h e b e r l e 4 3 1 等人研究了g a a s 量子阱中电子的拉莫尔进动发光量子拍光 谱，得到长达5 0 0 p s 的电子自旋相干弛豫时间。并表明这种量子拍光谱可以用来 精确测量电子的l a n d 6g 因子。 然而，最近的研究发现“发光圆偏振度等于电子自旋偏振度假设”并不总是成 立，在量子点中发现发光圆偏振度与量子点的尺寸、形状、空间方位等因素5 4 1 有关。 其次，光致发光光谱测量方法通常使用条纹照相机实现时间分辨，受条纹相 机的时问分辨率限制，通常在皮秒量级。另外，该测量方法需要有较高的发光效 率，要求较强的辐射复合过程，通常只能在低温条件下进行，而且只能反映出在 中山大学硕士学位论文 载流子复合寿命范围内的自旋弛豫过程。因此，光致发光光谱法的使用受到较多 的限制。 1 4 2电子自旋偏振与相干弛豫的饱和吸收光谱研究 1 9 9 0 年，日本学者a t s u s h it a c k e u c h i 5 5 等人采用泵浦一探测实验装置发展了 探测电子自旋偏振弛豫的时间分辨饱和吸收光谱技术。用圆偏振光进行激发和探 测自旋载流予数密度变化，布居密度演化方程为： n a f ) = 要( 1 + e 5 2 r l r , 矿：军( 1 + e - 2 l i t , 矿“( 1 - 4 ) 用此方法对g a a s d a l g a a s 量子阱进行实验研究，得到室温下载流子( 激子) 的自旋偏振弛豫时间为3 2 p s 。 然而圆偏振光饱和吸收技术 5 5 - 5 8 铡量原理是建立在圆偏振光激发和探测基 础上的，实验中要精确调整两束光的圆偏振度，一般需要用到高精度波片 一s 0 1 e i l b a b i n e t 补偿器，设备造价和实验难度都比较高。 后来，赖天树教授等人考虑用椭圆偏振光代替圆偏振光，进一步发展了泵浦 探测技术，形成椭圆偏振光泵浦探测饱和吸收光谱技术【5 9 1 。该方法具有设备简 单、操作容易，适用范围广等优点。 文献【5 9 】给出椭圆偏振探测光相对饱和吸收强度的变化关系，即白旋偏振弛 豫动力学研究方程为： 半= 孚叫万n o ( 1 + p ，p e - 詈痧 s ， 用公式( 1 5 ) 对实验数据进行拟和( 图1 2 为文献【5 9 中g a a s 量子阱的实 验数据及拟和结果) ，可以同时得到载流子的初始自旋偏振度p ，自旋偏振弛豫 时间f 。和复合时间t ，等重要参数。室温条件下对g a a s 量子阱所做的实验研究得 到，只，t s ，t ，分别为0 4 6 ，9 5 p s 和3 4 0 p s 。 可见此方法包含了丰富的电子自旋弛豫动力学信息，是极其实用和高效的自 旋弛豫研究方法，希望该研究方法能在半导体自旋电子学的研究中发挥出应有的 g a a s 半导体中电子自旋相干弛豫动力学研究 价值。 另外，p h e d o np a l i n g i n i s l 3 0 1 等人用圆偏振光饱和吸收法研究了激子的相干弛 豫现象，通过吸收量子拍研究了激子的三阶和五阶非线性效应。 o2 ，鳓 ， o l 酬豫雠 鳓 a p p tp h 弘l 日i i v o l8 5 n o1 8 1n d v o m b o r 2 0 0 4 图1 2 椭圆偏振光激发和探测电子自旋的偏振弛豫动力学研究 1 4 3电子自旋相干弛豫的法拉弟旋转测量 d d a w s c h a l o m 6 0 墩授等人于1 9 9 4 年发展了一种新的自旋相干弛豫测量方 法一法拉第转角法，并用这种方法在自旋相干弛豫动力学方面 1 7 以6 0 - 6 2 做了很多 非常有价值的工作。 实验中要探测的信号是p u m p 光引起的p r o b e 光偏振面偏转角度( 法拉第旋 转角) 的微小变化，大约在1 0 4 度的量级。如何将如此微弱的信号取出，是实验 光路设计的难点。研究人员设计了光学桥检测电路，采用光学桥技术消除激光强 度和偏振噪声6 剐的影响，并使用锁相放大器进一步提高了信噪比。 线偏振面偏转角度的大小正比于磁化强度在波失方向的分量，即： 以= k m s ( 1 - 6 ) 9 婚 ” 啦 搬 一3尊参茹#磐c一翟一重z 中山大学硕十学位论文 外加垂直于p u m p 光传播方向的横向磁场( v o i g t 结构) ，光生电子的自旋将 绕磁场进动，总白旋沿p r o b e 光传播方向的分量也随之周期性变化，线偏振面偏 转角随时问t 出现频率为珊：墨磐里的振荡。 忍 总自旋磁化分量随时间的变化关系，即法拉第转角法研究自旋相干弛豫的公 式为： m s ( r ) ：坂( o ) e - r ；c 。s ( 墨嗟华f ) ( 1 7 ) d d a w s c h a l o m 6 0 墩授等人首次用此方法研究了稀磁半导体z n m n s e 和 z n c d s e z n s e 自旋超晶格的不同磁动力学和载流子复合动力学行为。他们在对本 征g a a s 和n g a a s 的自旋相干弛豫动力学的实验研究中发现，当砷化稼中掺杂 浓度为1 1 0 m 时，自旋相干寿命延长将达到纳秒量级【矧。 由于以的大小取决于样品的磁化，并不需要光生空穴的实际存在，这一点 与发光测量方法是不同的，所以只要实验条件( 机械延迟线) 允许，法拉第转角 法可以测量时间任意长的自旋相干过程，是研究自旋相干过程的一个强有力工 具【6 3 】。 1 5 半导体自旋电子学前景展望 人类利用电子的荷电性在半导体芯片上创造了今天的信息时代，而电子的自 旋特性和荷电性质的共同作用，无疑会给目前的微电子器件带来一场新的革命。 基于铁磁金属的g m r ，s v 和m t j 等自旋电子器件的研制成功和良好性能，显示 出自旋电子器件的巨大应用潜力。自旋电子器件比一般电子器件功耗小，速度快， 所以自旋电子器件要比单纯的电子器件用途上更具优势，促使人们研制半导体自 旋电子器件，并设想最终实现量子计算，研制出量子计算机。量子计算是利用量 子力学中两个量子态可以组成一个混合态的几率概念作为算法的基础。以此原理 所建立起来的量子运算方法，从理论上估计可以比传统的运算法快百万倍以上。 自旋电子学是一个年轻的新学科，自旋领域中许多新问题新现象不断涌现， 到目前为止，还没有出现一个系统的理论模型，对各种新效应的理解基本上还处 于一种“拼凑式”的半经典唯象理论阶段。实现高性能的半导体自旋电子器件还有 o g a a s 半导体中电子自旋相干弛豫动力学研究 许多基木问题有待解决，同时给我们带来很多机遇与挑战。自旋电子学的未来， 有待于各方面研究人员的共同合作和艰辛努力。 中山大学硕士学位论文 参考文献 1 b a i b i c hmn ，b r o t ojm ，f e r t a ，e ta 1 g i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c eo f ( 0 0 1 ) f e ( 0 0 1 ) c r m a g n e t i cs u p e r l a t t i c e s p h y s r e v l e t t 1 9 9 8 ，6 1 ：2 4 7 2 2 4 7 5 。 2 j u l l i e r em t u n n e l i n gb e t w e e nf e r r o m a g n e t i cf i l m s p h y s l e t t a 1 9 7 5 ，5 4 ： 2 2 5 2 2 6 3 w o l fsa ，a w s c h a l o mdd ，b u h r m a nra ，e t a l s p i n t r o n i c s ：a s p i n b a s e de l e c t r o n i c sv i s i o nf o rt h ef u t u r e s c i e n c e ，2 0 0 1 ，2 9 4 ，1 4 8 8 1 4 9 5 4 b a r n a sj ，f u s sa ，c a m l e yre ，e t a l n o v e lm a g n e t o r e s i s t a n c ee f f e c ti n l a y e r e dm a g n e t i cs t r u c t u r e s ：t h e o r ya n de x p e r i m e n t p h y s r e v b 1 9 9 0 ，4 2 ： 8 1 1 0 8 1 2 0 5 d w i n c e n z odeq u a n t u mc o m p u t a t i o ns c i e n c e ，1 9 9 5 ，2 7 0 ，2 5 5 6 p r i n zga m a g n e t o e l e c t r o n i c ss c i e n c e ，1 9 9 8 ，2 8 2 ，1 6 6 0 7 p a r k i ns sp m a u r id s p i ne n g i n e e r i n g ：d i r e c td e t e r m i n a t i o no ft h e r u d e r m a n k j t t e l k a s u y a - y o s i d af a r - f i e l dr a n g ef u n c t i o ni nr u t h e n i u m p h y s 。r e v b 1 9 9 1 ，4 4 ，7 1 3 1 - 7 1 3 4 8 d i e n yb ，c o w a c h ec ，n o s s o va ，e ta 1 a n i s o t r o p ya n da n g u l a rv a r i a t i o n o ft h eg i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c ei nm a g n e t i cm u l t i l a y e r s j a p p l p h y s 1 9 9 6 ，7 9 ： 6 3 7 0 6 3 7 5 9 m o o d e r ajs ，k i n d e rlr ，w o n gtma n dm e s e r v e y r l a r g em a g n - e t o r e s i s t a n c ea tr o o mt e m p e r a t u r ei nf e r r o m a g n e t i ct h i nf i l mt u n n e lj u n c t i o n s p h y s r e v l e t t 1 9 9 4 ，7 4 ，3 2 7 3 3 2 7 6 10 m i y a z a k it ，t e z u k an s p i np o l a r i z e dt u n n e l i n gi nf e r r o m a g n e ti n s u l a t o r f e r r o m a g n e t j u n c t i o n s j m a g n m a g n m a t e r 1 9 9 5 ，1 5 1 ：4 0 3 4 1 0 11 k o hg h ，k i mhj ，j e o n gwc ，e ta 1 f a b r i c a t i o no f h i g l lp e r f o r m a n c e6 4k b m r a m j 】j o f m a g n e t i s ma n dm a g n e t i cm a t e r i a l s ，2 0 0 4 ，2 7 2 7 6 ：1 9 4 1 1 9 4 2 1 2 t e t s u y ay a m a m o t o ，h i r o s h ik a n o ，y u t a k ah i g o ，e ta 1 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 yo p e r a t i o ne r r o rb yt h e r m a l l ya c t i v a t e dr e v e r s a l ( i n v i t e d ) j a p p l p h y s 2 0 0 5 ，9 7 ：1 0 p 5 0 3 一i o p 5 0 8 2 g a a s 半导体中电子自旋相干弛豫动力学研究 1 3 s u g a h a r as t a n a k am as p i nm e t a l - o x i d e - s e m i c o n d u c t o rf i e l d - e f f e c t t r a n s i s t o ru s i n gh a l f - m e t a l l i c f e r r o m a g n e tc o n t a c t sf o rt h es o u r c ea n dd r a i n a p p l p h y s l e t t 2 0 0 4 ，8 4 ：2 3 0 7 2 3 0 9 1 4 h a l lk c ，l a uwh ，g u n d o g d uk ，e ta 1 n o n m a g n e t i cs e m i c o n d u c t o rs p i n t r a n s i s t o na p p l p h y s l e t t 2 0 0 3 ，8 3 ：2 9 3 7 - 2 9 3 9 1 5 g u p t aja ，a w s c h a l o mdd ，p e n gxa n da l i v i s a t o saes p i n c o h e r e n c ei ns e m i c o n d u c t o rq u a n t u md o t s p h y s r e v b 1 9 9 9 ，5 9 ：1 0 4 2 1 - 1 0 4 2 4 16 l a uw a y n eh 0 l e s b e r gjta n df l 玎t em i c h a e le e l e c t r o n s p i n d e c o h e r e n c ei nb u l ka n dq u a n t u m w e l lz i n c b l e n d es e m i c o n d u c t o r s p h y s r e v b ， 2 0 0 1 ，6 4 ：1 6 1 3 0 1 - 1 6 1 3 0 4 17 k k k a w ajm a w s c h a l o mdd l a t e r a ld r a go f s p i nc o h e r e n c ei ng a l l i u m a r s e n i d e n a t u r e ，1 9 9 9 ，3 9 7 ：1 3 9 1 4 1 18 d i v i n c e n z od p q u a n t u mc o m p u t a t i o ns c i e n c e ，19 9 5 ，2 7 0 ：2 5 5 2 6 1 1 9 b e n n e t tch d w l n c e n z odpq u a n t u mi n f o r m a t i o na n dc o m p u t a t i o n 【j 】n a t u r e ，2 0 0 0 ，4 0 4 ：2 4 7 2 0 s a r m asd ，f a b l a nj ，h ux ，i g o r z u t i c s o l i ds t a t ec o m m u n i c a t i o n s 。 2 0 0 1 1 1 9 ：2 0 7 2 1 l o s sd d i v i n c e n z odpq u a n t u mc o m p u t a t i o nw i t hq u a n t u md o t s 。p h y s 。 r e v a 1 9 9 8 ，5 7 ：1 2 0 - 1 2 6 2 2 l a d dtd ，g o l d m a njr ，y a m a g u c h if e ta 1 a l l s i l i c o nq u a n t u m c o m p u t e r p h y s r e v l e t t 2 0 0 2 8 9 ：0 17 9 0 1 0 17 9 0 4 2 3 k a n ebe as i l i c o n b a s e dn u c l e a rs p i nq u a n t u mc o m p u t e r n a t u r e ，1 9 9 8 ，3 9 3 ： 1 3 3 1 3 7 2 4 d a sss ，j a r o s l a vf ，h uxd ，e ta 1 s p i ne l e c t r o n i c sa n ds p i nc o m p u t a t i o n j s o l i ds t a t ec o m m u n i c a t i o n s ，2