（光学工程专业论文）gaas量子阱中电子自旋弛豫的电子能量、浓度和自旋偏振度依赖研究.pdf

丁必锋tg a a s 量子阱中电子自旋弛豫的电子能量 浓度和自旋偏振度依赣 论文题目 g a a s 量子阱中电子自旋弛豫的电子能量 浓度和自旋偏振度依赖研究 专 业 光学工程 硕士生 丁必锋 指导老师 赖天树教授 摘要 铁磁金属自旋电子器件 如g m r 和自旋阀磁读头的巨大成功应用 使人们认识 到了自旋电 了器件的诸多优点 如体积小 功耗低 信息不丢失等 促使人们考虑 应用半导体中电子自旋自由度 发展半导体自旋电子器件 然而 发展半导体自旋 电子器件要解决的首要问题是实现电子自旋极化和控制自旋极化的弛豫 本文研究 了电子能量 初始电子自旋极化度和电子浓度对g a a s a i g a a s 多量子阱中电子自旋 极化弛豫的影响 以弄清量子阱中电子自旋弛豫的机制和获取不同条件下自旋极化 弛豫时间常数 本文利用椭圆偏振光泵浦一探测光谱技术研究了室温下g a a 州g a a s 多量子阱 中自旋偏振驰豫时间和光生载流子浓度的依赖关系 在实验中观察到自旋弛豫时间 随浓度的增加而增加 载流子复合时间随浓度的增加而减小 根据d p 机制 可知自 旋驰豫时间与动量驰豫成反比 再依据载流子浓度对动量散射的非线性作用理论 可得到自旋驰豫时间与载流子浓度的依赖关系式 实验结果与该理论符合得很好 同时进一步验证了椭圆偏振光泵浦一探测光谱技术的可靠性 研究了室温下g a a s a i g a a s 多量子阱中自旋偏振驰豫时间和初始自旋偏振度 之间的关系 在实验中观察到自旋弛豫时间随初始自旋偏振度的增加而增加 这一 结果与m w w u 等人考虑了h a r t r e e f o c k 项贡献的理论计算较好符合 h a r t r e e f o c k 项贡献正比于电子自旋极化度 其行为等效为一个有效磁场 改变自 旋的运动 并与d p 机制一起影响自旋弛豫 根据此理论 自旋弛豫时间正比于初始 自旋偏振度 研究了室温下g a a s a i g a a s 多量子阱导带中不同过超能量电子的复合和自旋 驰豫动力学 在相同浓度下 发现随着过超能量减小 电了复合时间逐渐增大 之 中山大学硕十学位论文 后我们引入自旋 得到了导带中不同能级上的电子自旋弛豫时间 综上所述 实验表明g a a s a i g a a s 多量子阱中自旋弛豫时间随浓度 初始自旋 偏振度和过超能量的变化 发现自旋弛豫时间随电子浓度的增加i 丽增加 随初始自 旋偏振度的增加而增加 在带底附近随过超能量的增加而减小 关键词 自旋弛豫 g a a s a i g a a s 多量子阱 椭圆偏振泵浦一探测光谱 初始自旋 偏振度 丁必锋tg 幽量子阱中电子自旋弛搀的电子能量 浓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 中山大学硕一 学位论文 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 必锋 c m a s 量子辨中电子白旋弛豫的电子能量 浓度和自旋偏振度依赣 第一章电子自旋弛豫研究背景及意义 1 9 2 1 年 施特恩 0 s t e m 盖拉赫 w g e r l a c h 实验发现基态银 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 后来他们用摹态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 轨道角动量工在z 方 向应当有2 1 1 个取值 即磁量了数珊应有2 1 1 取向 由于 是整数 2 1 1 就一定是 奇数 然而 银原子和氢原子摹态的轨道角动量量子数 都为零 磁量子数m 应只 有一个取向 所以当时的空间量子化的理论所不能解释实验给出的基态银原子在磁 场中有两个取向的事实 而早在1 8 9 7 年普雷斯顿 l p r e s t o n 报告说大量塞曼分裂 实验表明 在磁场作用下 光谱线分裂的数目可以不是三个 间隔也不尽相同 这 一点也无法用轨道角动量来解释 称之为反常塞曼效应 为了解释施特恩 盖拉赫实 验银原子在非均匀磁场中出现偶分裂的现象和反常塞曼效应 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 它除了绕原子核旋转外 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 为土矗 2 即自旋量子数m 只能1 玻 1 2 两个数值 其 中正负号分别表示 自旋朝上 和 自旋朝下 是量子物理中常用的基本物理常数 称为普朗克常数 利用这一电子自旋假说很容易解释旌特恩 盖拉赫实验出现的偶分 裂现象 1 9 2 8 年狄拉克把相对论引进了量子力学 建立了相对论形式的薛定谔方程 也就是著名的狄拉克方程 从理论上导出了电子有自旋的结论 自此 人们发现电 子不但有静质量 电荷 还有自旋这样一个内禀性质 1 1 自旋的应用 虽然人们发现自旋相当长一段时间 但一直都没有发觉它的应用价值 直至u 1 9 8 8 中山大学硕士学位论文 年 法国科学家m n b a i b i c h 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 口一墩应 自旋才开始发挥它的实际作 用 在g m r 电阻 2 4 中 由于非磁性金属薄膜厚度很小 相邻铁磁金属薄膜层问的 自旋反向平行祸合 呈现高阻态 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 呈现低阻态 所以g m r 器件的电阻可以由小 同向磁化 到大 反向磁化 变化 g m r 电阻可以感受外界磁场的大小 伊它无法确定磁场的 方向 以g m r 电阻为基础 人们研制出了自旋阀 s v 5 6 自旋阀也是由两个铁 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 与g m r 电阻不同的是s v 其中一个铁磁层中被反磁层钉扎 其自旋磁矩对外界 磁场不敏感 而另外一个铁磁层自旋磁矩由在外磁场作用下方向和大小都会改变 q 根据巨磁阻效应 自旋阀 s v 的电阻值也会变化 根据阻值的大小就可以判断 出外界磁场方向 s v 磁感应器灵敏度相当高 可以用于检测微弱磁场信号 利用这 一优良特性研制的s v 硬盘磁读头灵敏度远高于传统的电磁感应磁读头 所以人们可 以把硬盘数据磁化点加工得更小 从而增加数据存储密度 增加硬盘容量 在过去 十年中 正是由于s v 磁读头的成功应用 硬盘存储密度提高了近千倍 将g m r 结 构中的金属层替换为绝缘层 一般为氧化铝 就是超巨磁电阻 c m r 原理也与 g m r 相同 与自旋阀 s v 结构类似 人们将c m r 结构中 个铁磁层钉扎 可以得 到磁隧道结 m t j 碉 基于 m t j 结构制作的刑r 隧道磁阻1f 9 1 研磁头l i g m r 磁 头灵敏度更高 也是将来硬盘磁读头发展的一个方向 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 1 2 同样也基于m t j 结构 它利用磁介质来存储信 息 用磁阻来读取数据 它的摹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i 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 虽然自旋电子学取得的成就已经令世人瞩目 1 日其产品都是以铁磁性材料为原 料制作 与以电荷传输为摹础的传统电于学大相径庭 两种器件的集成难度很大 丁必锋 g a a s 量子阱中电子自旋弛豫的电子能量 浓度和自旋偏振度依藕 现代电子器件的密集度越来越高 能耗越来越大 散热问题变得更加严重 而相比 传统电子器件 基于自旋的电子器件具有许多优点 如体积小 功耗小 信息不易 丢失等 为了将自旋电子器件的优点引入现代电子学 解决现在其面临的困境 如 散热问题 同时又要方便两种器件的集成 人们思考能否使用半导体材料来研制自 旋电子器件 在这种情况下 半导体自旋电子学诞生了 自旋最具前景的应用 自旋晶体管 正是基于半导体自旋电子学 就象5 0 年前人们发明电子晶体管一样 自旋晶体管的诞生肯定会使整个电子产业产生革命性的变化 目前已经提出了几种 自旋晶体管的研制方案1 1 3 1 4 1 另一方面 被很大程度上延长的自旋相干态寿命 州7 1 使得自旋态作为量子位用于量子计算和信息处珲1 1 8 2 进而也使制作量子计算机 1 2 2 7 3 1 成为可能 1 2 半导体自旋电子学需要解决的问题 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 半 导体自旋电子学需要解决的问题包括半导体中的电子自旋极化和注入 以及自旋的 输运 检测和控制 1 2 1 半导体中的电子自旋极化和注入 由于半导体中电子和空穴的自旋取向是各向同性的 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 中山大学硕十学位论文 圆二一 l 一 j 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 产生净自旋磁矩的过 程 分别如图1 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 4 2 9 和电子注入法 2 5 3 0 3 3 1 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 4 l 等人设计了一种自旋l e d 2 4 2 5 1 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 a 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予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 3 2 捌 gs c h m i d t l 3 3 1 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 fs 氏时 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 盯 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 f m 金属 2 维电子半导体 f m 金属 f 3 结构 由1 维半导体夹 4 圃 龇一 甸 丁必锋 c s a s 量子阱中电子自旋弛豫的电子能量 浓度和自旋偏振度饭赣 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 0 l 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 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 1 2 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极化和注入外 还需 要解决电子自旋的输运 控制和检测等问题 这些问题都是目前自旋电子学的研究 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 1 a m 1 1 这样的输运尺 度已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 岬 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 削 在自旋的控制方面 他们提出了超快光 3 5 1 电1 4 5 1 控制电子白旋相干的方法 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i 嘲 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i 影 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1 3 7 1 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 中l l i 大学硕士学位论文 一致的电子龙能够有效通过 半导体中自旋极化和注入的问题已经基本解决 但自旋的控制方面还远远没有 达到实际应用的要求 1 3 电子自旋驰豫机制 要解决自旋的控制问题 必须先弄清楚自旋极化后的自旋驰豫特性 即研究不 同外部条件和内部结构情况下的自旋驰豫时间的变化 制造实际的自旋电子器件 最大的障碍有两个 将自旋极化电于 或空穴 注入半导体的方法和如何检测它们 用圆偏振光激发半导体注入自旋偏振载流子 可以有很高的注入效率 最高达1 0 0 而且可以实现超短脉冲对电予自旋的各种操纵 3 8 自旋弛豫的探测已经从最 初的稳态荧光探测 3 9 l 发展至时间分辨荧光探测m4 年口基于自旋偏振的瞬态透射 或反射抽运探测技术 4 2 3 1 在控制自旋弛豫方面 人们通过掺杂m 增加量了约束 4 5 1 外加电场引入附加自旋分裂 删 外加磁场固化自旋偏振 4 7 1 等方法实现了自旋弛 豫的人工控制 而所有的这些成就都是摹于电子自旋驰豫机制的理论研究 电子的自旋驰豫包括横向驰豫和纵向驰豫 横向弛豫描述自旋退相干 所谓相 干态是指在初始时刻系统中所有电了波函数相位是一致的 随时间的变化 各电子 波函数相位仍然保持一致的变化 即同步 这时的电子态称为相干态 由于电子一 电子相瓦作用 相干态只能维持一定时间 称为退相时间 用兀表示 自旋纵向弛 豫 也称自旋偏振弛豫 指的是自旋态由各向异性变为各向同性的过程 这个过程持 续的时间用正表示 本论文在实验和珲论工作中所研究的是i i i v 族半导体材料中电 子的自旋退极化过程 即自旋偏振弛豫 人们对i i i v 族半导体材料中电子的自旋驰豫已经有了深入的研究 并确立了几 种成熟的驰豫机制 壬要有d y a k o n o v p e r e l d p f 4 8 5 l 机制 e l l i o t t y a f c t e y f 珏 5 3 机 1 j 并l b i r a r o n o v p i k u s b a p p 4 机制 由于自旋弛豫时间对物质参数有不同的 依赖关系 人们往咎通过自旋弛豫时间与电子束缚能m 阱宽 4 4 1 温度陋羽 迁移 率 5 7 1 等参数的关系来判断是哪种机制在自旋弛豫过程中起丰导作用 6 丁必锋 g i s 量子阱中电子自麓弛豫的屯子能量 浓度和自麓偏振度依藏 图1 1 半导体中电子自旋弛豫机制 a b c 分别表示d p e y 和b a p 机制 d p 机制 源于中心反演不对称系统的自旋一轨道相互作用 它使得导带的自旋 分裂 这一分裂等效于存在一个与波矢大小k 成正比的有效磁场 驱使自旋围绕它 进动 而载流子与载流子 声子 杂质等的散射作用导致波矢的随机化 从而导致 有效磁场的随机化 则总体的自旋极化就会随之衰减 即产生自旋极化弛豫 因此 电子自旋弛豫时间 j 与动量弛豫时间f 成反比 称为 运动性减慢 当散射事件发 生的越频繁 动量弛豫时间越短 这种 运动性减慢 作用越强 自旋弛豫时间越长 l m u n o z 根据d p 机制推出量子阱中电子的自旋弛豫时间 蚓 l2 口2 e k r t 2 芦如 其中口 加4 乓 2 2 m 2 m 是有效质量 是分裂系数 五 是量子阱中第一电 子束缚态能量 e 是带隙能量 d p 机制在高温 t 5 0 k 和非中心对称的i i i v 族 闪锌矿材料 如g a a s 体材料和量子阱 或n 一型半导体中起主导作用 e y 机制 e l l i o t t y a f e t 机 1 j 是基于自旋一轨道耦合 使具有相反自旋量子数的波 函数彼此耦合 具有确定自旋方向和不确定动量的自旋本征态不再存在 这样 动 量散射过程能直接导致自旋的翻转散射 中山大学硕十学位论文 由于自旋轨道祸合相互作用 导带中电子的哈密顿量出现一个由自旋轨道祸合 相瓦作用引入的相瓦作用能彤7 丽h下y r l s 其中慨是电子的有效质量 以 为载流子的散射势 l s 分别表示轨道角动量和自旋角动量 根据波恩近似 电子 从馓射到p 的几率为 5 8 1 m 瓦毒2 k i 脚1 歹 a v 加 q l s 峙 4 显然 在散射过程中 随着波矢的改变 自旋也有同样的反转几率 a t s u s h it a c k e u c h i 等人在忽略r 能量的依赖关系以后计算出量子阱q b e y 弛豫 机制决定的自旋弛豫时间为 卅 专 乱寺m 丢 2 警吉 其中 为自旋分裂能量 对于g a a s a o 3 4 e v e y 机制主要作用在窄带隙半导 体材料中 d p 机制和e y 机制最大的区别在于它们对动量弛豫时间t 有相反的依赖关系 增强散射强度会使e y 机制更有效 而d p 机制的作用将减弱 事实上 在e y 过程中 碰撞散射会使自旋翻转 碰撞越剧烈 自旋翻转几率越丈 而d p 机制中碰撞通过波 矢方向的变化来改变电子的有效磁场 从面间接改变自旋进动的方向 b a p 机制 在电子一空穴交换散射中发现 空穴动量散射较强 它引起电子的 自旋翻转散射 即空穴自旋以有效磁场作用f 电厂自旋 使得电子进动 当空穴动 量弛豫速率大于有效磁场的进动速率时 即当电r 自旋还没有进动完一个周期前空 穴动量就改变 则交换散射作用使得电子自旋翻转 那么电子自旋弛豫又回到 运动 性减慢 的d p 模式 对空穴简并情况 自旋弛豫速率有如下形式 4 5 i2 i 3 丽v i k s t 司 t s 且4 p t ov b 丑 其中 是交换分裂参数 t 1 5 蔷镑 6 岛2 砑h 2 2 h 而2 o 喁2 去 丁必锋 c a a s 量子阱中电子自旋弛穗的电子能量 i 舞度和自旋倔振度依赣 a 为激子摹态交换分裂能 n p 是空穴浓度 b a p 机制主要在大量空穴存在时起主导作用 对n 型半导体 由于大量电子的存 在使得电子空穴快速复合 b a p 作用就被阻碍了 因此b a p 机制主要作用于低温以 及p 型半导体 上述都是三种比较成熟的电子自旋驰豫机制理论 大量的实验都证明了它们在 各自前提下的正确性 但人们对电子自旋驰豫机制的研究并不止于此 m w w u f 5 9 6 0 就在d p 机制基础上 从多体效应动力学理论出发 指出自旋守恒散射 如电子一电 子散射 在非均匀展宽条件下同样也能引起自旋弛豫 而通常我们在研究自旋弛豫时 会忽略它的影响 只认为自旋反转散射 如载流子间碰撞散射 才是自旋弛豫的主要 原因 1 4 电子自旋弛豫研究动态 在上述三种电子自旋弛豫理论的基础上 人们对电子的自旋弛豫机制进行了深 入研究 并且取得了显著的进展 电子的自旋退偏振的一个重要内容就是纵向弛豫 时间 1 9 8 0 年 a l f a n 0 1 4 0 1 首次应用条纹照相机研究发光圆偏振度随时间的变化 在 发光圆偏振度等于电子自旋偏振度假设下 获取自旋偏振弛豫动力学 实验测得 g a a s 体材料在载流子浓度为7 l o 硎1 时电子的自旋弛豫时间是8 8 3 4 p s 但是光 致荧光法本身具有一定的局限性 如常温下荧光效率低 只能在低温下展开实验 对于更具有实际应用价值的常温情况无法用光致荧光法研究电子的自旋弛豫 只能 研究发光材料 由十光致荧光法是通过测量光的圆偏振度来间接测量电子的自旋偏 振情况 所以这就存在一个测量方法的准确性问题 十年后 人们利用跟自旋相关的抽运探测测量技术和利用改良后的条纹相机采 用时间分辨光致荧光法可以直接测量自旋弛豫过程 并且把对自旋动力学的研究从 体材料扩展到量子约束结构上 包括量子阱 4 2 量子线 f 和量子盘洲等 1 9 9 0 年日 本小组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关的光学非线性性质来直接观 测g a a s a i g a a s 量子阱中激子的皮秒弛豫 这是人们第一次利用抽运探测技术来研 9 中山大学硕十学位论文 究电子的自旋弛豫情况 室温下测得g a a s a l o g a a s 多量f 阱中的电子自旋弛 豫时间是3 2 p s 后来他们利用瞬态饱和吸收技术测量了不同阱宽下无掺杂 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 多量子阱材料中电子的自旋弛豫时间 实 验发现g a a s a i g a a s 量子阱中电子的自旋弛豫时间t 跟束缚能e 有关 并且有 f e f 22 这与根据d p 机制推导出的理论关系式 1 7 o ce 2 相近 因此说明室 温下g a a s a i g a a s 多量f 阱中电子自旋的壬导弛豫机制是d p 机制 实验还测得带隙 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 量子阱中电子的自旋弛豫时间是5 p s 并 且电了的自旋弛豫时间随电了束缚能毛 的变化而变化 且有z o c e 1o 而根据 e y 机制有t ce 1o 这说明在窄带隙材料m g a a s i i l p 中占主导地位的是e y 弛豫机 制 h g o t o h l 6 3 1 等人在窀温下利用g a a s a 1 g a a s 量子阱研究了电子一空穴相互作 用对电子自旋弛豫时间的影响 实验发现电子的自旋弛豫时间随电子和空穴的间距 的变化而变化 其中我们可以通过调整施加在量子阱上的电场来改变电子和空穴的 间距 随着电子和空穴间距的增加 电子的自旋弛豫时间也随之延长 我们知道在 室温下量子阱中电子的自旋弛豫主要是由d p 效应引起的 并且d p 机制认为电子的 自旋弛豫是由于电子动量的随机化导致的 且只有电子散射跟自旋弛豫有关 因此 d p 机制认为电子的自旋弛豫不会受到周围空穴的影响 也就是说d p 机制是电子和 空穴间距无关的 因此在这种情况下除了d p 机制 还有另外一种跟电子一空穴交换 相瓦作用有关的机制对电子的自旋弛豫起作用 b a p 机制基于电子一空穴交换相互 作用 辛要解释的是自由电子和空穴的自旋弛豫问题 b a p 机制认为自由电子和空 穴的自旋弛豫时间跟交换能的平方成反比 而交换能是跟电了 和空穴波函数的重叠 积分成正比 显然电子和空穴间距减少导致交换能的增加从而导致电子的自旋弛豫 时间缩减 4 5 r s b r i t t o n 等人 4 3 l 研究了室温下无掺杂g a a s a 1 0 a a s 多量子阱中电子的自旋弛 豫时间跟阱宽e l 即束缚能 的关系 对于较大阱宽 由声子作用下的动量散射导致 的d p 机制 使得电子的a 旋弛豫速率趋向于跟本征材料一样 对较窄的阱宽 电子 的自旋弛豫速率强烈依赖于e 这也跟d p 机制预计的一样 佃是对于不同材料的样 1 0 丁必锋zg a a s 量子阱中电子自旋弛豫的电子能量 浓度和自旋偏振度依赣 品 电子的自旋弛豫速率具有一定的变化 这是由于样品内界面结构的不同引起的 p i lh u ns o n g 和k w k i m l 根据e y d p b a p 机制以温度和掺杂浓度作为 参量 理论上计算了n 型以及p 型g a a s g a s b l n a s h s b 等体材料的导带电子自 旋弛豫时间 并比较了各弛豫机制在不同条件下的作用 发现当上述四种材料为n 型掺杂 受主浓度为n a 5 1 0 1 3 c n l 施主浓度 d 在1 0 1 4 1 0 2 0 c m 3 之间变化时 d p 机制主要作用于低温至高温 而在较低的温度下e y 机制占主导地位 当上述四 种材料为p 型掺杂 施主浓度 忙 5 1 0 1 3 c m 受主浓度 h 在1 0 1 0 2 0 c m 3 之间变 化时 b a p 机制在低温和高受主浓度情况下起主导作用 d p 机制在高温和低受主浓 度情况下起主导作用 p m u r z y n 等人1 6 5 采用抽运探测技术测量了温度为3 0 0 k 时本征和简并n 型i n a s 和i n s b 的自旋寿命 测得近简并n l n a s 自旋寿命 t 1 6 n s n i n s b 自旋寿命 t 3 0 0 p s 对本征l n a s 测得t 2 0 p s 与他人的实验结果相符 窄带隙半导体材料 中的自旋弛豫过程主要有两种 d p 机制和e y 机制 对本征和微量掺杂样品 根据 d p 机制理论 实验上t 之值分别为 i n a s 2 0 p s 2 0 p s i n s b x 0 p s 1 6 p s 丽根 据e y 机制理论 实验上t e r 之值分别为 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 机制是1 1 1 v 族材料在室温下 高于7 7 k 的主导机制 对于高掺杂n h a a s d f 机制由于简并情况和电子一电子散射作用而受到抑制 e y 机制占据主导地位 t h o m a sf b o g g e 舔等人嗍实验测量了室温下i n a s 体材料的电子自旋弛豫 利用 偏振亚皮秒抽运探测技术用波长为3 a 3 脚的光波测得电子自旋弛豫时间f 为 1 9 士4 p s 这与基于d p 机制的自旋进动弛豫理论计算值2 1 p s 符合的很好 t s o g a w a 6 l l 等人测量了g a a s a i a s 量子线材料中自旋极化的光致荧光的激子 的光谱和它的自旋弛豫时间 实验发现在接近跃迁带边处自旋极化具有最大值 并 且自旋极化随着激子声子能量的变化而变化 对比量子线材料和量子阱材料的自旋 弛豫时间 发现低温 1 5 8 0 k 下 在一维结构的材料中电子的自旋弛豫速率降低了 y o b n o 6 7 等人研究了不同生长方向 1 0 0 面和 1 1 0 面 的n 搀杂和本征 g a f f s a i a s 量子阱中的电子自旋驰豫机制 研究了温度 阱宽和搀杂浓度对自旋驰 豫时间的影响 实验发现当温度t y 3 0 k 时 n 搀杂 1 0 0 面生长g a a s a 1 a s 量予阱中电 中山大学硕十学位论文 子自旋驰豫时间的变化规律完全符合d p 机制 而毒温 1 i o 面生长量了 阱中电子自旋 驰豫时间要比 1 0 0 面生长量子阱中电子自旋驰豫时间大3 0 倍 他们认为是d p 机制在 两种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 弛豫机制对电子自旋退相的影响 实验 表明电子的自旋退相时间会受到温度 杂质搀杂水平 磁场 电 f 浓度等的影响 实验表明低温下在有杂质数射的情况下电子自旋退相时间会随着温度的增加而增 加 而这一点跟d p 机制的预言是相反的 实验结果表明当有杂质引入时电子的自旋 退相时间会减少 t 日是如果进一步增加杂质浓度 电子自旋退相时间反而会增加 电子自旋退相时间随杂质水平的变化可以这样理解 首先d p 项和散射项部不能单独 产生电子的自旋退相 它们二者必须结合在一起才能产牛电子自旋退相 然而还有 一点需要值得注意的 那就是散射也会使得电子在动量空间重新分布并且趋向于使 得电子在动量空间各向同性分布 因而当进一步把杂质浓度增加一个数量级的时候 由d p 效应引起的各向异性被抑制了 从而使得电子自旋退相时间增加 此外实验表 明在d p 效应被抑制的情况下 电子自旋退相时间对磁场的依赖性也被抑制了 m w w u 等人的理论预言在有杂质存在的情况下电子的自旋退相时间会随着温度的增加 而增加 但是这一点正好跟以往的只是简单处理d p 效应得到的结果相反 虽然人们在自旋弛豫研究方面取得了许多可喜的成果 验证了在不同条件下自 旋弛豫的宅导机制 但是在特殊情况下 如文献 6 8 中所述 n 型g a a s 中电子自旋 弛豫机制也不完全符合人们普遍认同的d p 机制 说明我们现有的理论还需要进一步 发展 以便解释新的实验现象 本论文选择在自旋电子学中应用得最多的g a a s 量子 阱影响电子自旋弛豫过程的载流子浓度 电子过超能量和初始自旋偏振度这二个因 素作为研究对象 进一步研究电子自旋弛豫机理 了解这些因素的作用规律等这些 过去尚未在实验上和理论上检测和分析的问题 为相关的应用和器件设计提供新的 参考 1 5 本论文的主要成果和结构安排 本论文采用椭圆偏振光泵浦 探测光谱技术 以g a a s a i g a a s 多量尹阱为研究 丁必镊tg a a s 量子阱中电子自旋弛豫的电子能量 帐度和自旋偏撮度依赣 对象 从实验和理论两个方面研究了电子自旋弛豫的特性 取得了如下取得了如下 有意义的研究成果 1 运用椭圆偏振光泵浦 探测光谱技术研究了室温下g a a s a i g a a s 多量子阱 中电子自旋弛豫与动量弛豫及载流子浓度的关系 通过增加受激电子浓度的方法 改变a i g a a s g a a s 多量子阱中自旋电子动量驰豫时间 得到了电子自旋时间和电子 寿命随浓度变化的规律 随着电子浓度的增加 电子碰撞散射更加激烈 动量驰豫 时间缩短 电子自旋驰豫时间增加 实验结果符合d p 机制 证实了动量驰豫过程 对电子自旋驰谶影响 这一结果对认识和应用量子阱中电子自旋的注入和弛