（光學(xué)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(xué)工程 碩士生 丁必鋒 指導(dǎo)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(yīng)用 使人們認(rèn)識(shí) 到了自旋電 了器件的諸多優(yōu)點(diǎn) 如體積小 功耗低 信息不丟失等 促使人們考慮 應(yīng)用半導(dǎo)體中電子自旋自由度 發(fā)展半導(dǎo)體自旋電子器件 然而 發(fā)展半導(dǎo)體自旋 電子器件要解決的首要問題是實(shí)現(xiàn)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(duì)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(jī)制和獲取不同條件下自旋極化 弛豫時(shí)間常數(shù) 本文利用橢圓偏振光泵浦一探測(cè)光譜技術(shù)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(shí)間和光生載流子濃度的依賴關(guān)系 在實(shí)驗(yàn)中觀察到自旋弛豫時(shí)間 隨濃度的增加而增加 載流子復(fù)合時(shí)間隨濃度的增加而減小 根據(jù)d p 機(jī)制 可知自 旋馳豫時(shí)間與動(dòng)量馳豫成反比 再依據(jù)載流子濃度對(duì)動(dòng)量散射的非線性作用理論 可得到自旋馳豫時(shí)間與載流子濃度的依賴關(guān)系式 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與該理論符合得很好 同時(shí)進(jìn)一步驗(yàn)證了橢圓偏振光泵浦一探測(cè)光譜技術(shù)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(shí)間和初始自旋偏振度 之間的關(guān)系 在實(shí)驗(yàn)中觀察到自旋弛豫時(shí)間隨初始自旋偏振度的增加而增加 這一 結(jié)果與m w w u 等人考慮了h a r t r e e f o c k 項(xiàng)貢獻(xiàn)的理論計(jì)算較好符合 h a r t r e e f o c k 項(xiàng)貢獻(xiàn)正比于電子自旋極化度 其行為等效為一個(gè)有效磁場(chǎng) 改變自 旋的運(yùn)動(dòng) 并與d p 機(jī)制一起影響自旋弛豫 根據(jù)此理論 自旋弛豫時(shí)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(dǎo)帶中不同過超能量電子的復(fù)合和自旋 馳豫動(dòng)力學(xué) 在相同濃度下 發(fā)現(xiàn)隨著過超能量減小 電了復(fù)合時(shí)間逐漸增大 之 中山大學(xué)碩十學(xué)位論文 后我們引入自旋 得到了導(dǎo)帶中不同能級(jí)上的電子自旋弛豫時(shí)間 綜上所述 實(shí)驗(yàn)表明g a a s a i g a a s 多量子阱中自旋弛豫時(shí)間隨濃度 初始自旋 偏振度和過超能量的變化 發(fā)現(xiàn)自旋弛豫時(shí)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(guān)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(cè)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(xué)碩一 學(xué)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)基態(tài)銀 a g 原子 經(jīng)過不均勻磁場(chǎng)時(shí)分裂為兩束 表明銀原子在磁場(chǎng)中有兩個(gè)取向 有力地證明了原 子角動(dòng)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(shí)驗(yàn) 兩者結(jié)果是 一致的 按照空間量子化理論 當(dāng)軌道角動(dòng)量量子數(shù)卜一定時(shí) 軌道角動(dòng)量工在z 方 向應(yīng)當(dāng)有2 1 1 個(gè)取值 即磁量了數(shù)珊應(yīng)有2 1 1 取向 由于 是整數(shù) 2 1 1 就一定是 奇數(shù) 然而 銀原子和氫原子摹態(tài)的軌道角動(dòng)量量子數(shù) 都為零 磁量子數(shù)m 應(yīng)只 有一個(gè)取向 所以當(dāng)時(shí)的空間量子化的理論所不能解釋實(shí)驗(yàn)給出的基態(tài)銀原子在磁 場(chǎng)中有兩個(gè)取向的事實(shí) 而早在1 8 9 7 年普雷斯頓 l p r e s t o n 報(bào)告說大量塞曼分裂 實(shí)驗(yàn)表明 在磁場(chǎng)作用下 光譜線分裂的數(shù)目可以不是三個(gè) 間隔也不盡相同 這 一點(diǎn)也無法用軌道角動(dòng)量來解釋 稱之為反常塞曼效應(yīng) 為了解釋施特恩 蓋拉赫實(shí) 驗(yàn)銀原子在非均勻磁場(chǎng)中出現(xiàn)偶分裂的現(xiàn)象和反常塞曼效應(yīng) 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(shè) 電子不 是點(diǎn)電荷 它除了繞原子核旋轉(zhuǎn)外 還繞自己的軸自旋 它具有固有的自旋角動(dòng)量 s 且在z 方向的分量只有兩個(gè) 為土矗 2 即自旋量子數(shù)m 只能1 玻 1 2 兩個(gè)數(shù)值 其 中正負(fù)號(hào)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(shù) 稱為普朗克常數(shù) 利用這一電子自旋假說很容易解釋旌特恩 蓋拉赫實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)的偶分 裂現(xiàn)象 1 9 2 8 年狄拉克把相對(duì)論引進(jìn)了量子力學(xué) 建立了相對(duì)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(dǎo)出了電子有自旋的結(jié)論 自此 人們發(fā)現(xiàn)電 子不但有靜質(zhì)量 電荷 還有自旋這樣一個(gè)內(nèi)稟性質(zhì) 1 1 自旋的應(yīng)用 雖然人們發(fā)現(xiàn)自旋相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間 但一直都沒有發(fā)覺它的應(yīng)用價(jià)值 直至u 1 9 8 8 中山大學(xué)碩士學(xué)位論文 年 法國(guó)科學(xué)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(jié)構(gòu)器件中發(fā)現(xiàn)了巨磁阻 g m r 口一墩應(yīng) 自旋才開始發(fā)揮它的實(shí)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(xiàn)高阻態(tài) 而在適當(dāng)強(qiáng)度外磁場(chǎng)作用下 所有鐵磁金屬薄膜 層中電子自旋取向平行 呈現(xiàn)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(chǎng)的大小 伊它無法確定磁場(chǎng)的 方向 以g m r 電阻為基礎(chǔ) 人們研制出了自旋閥 s v 5 6 自旋閥也是由兩個(gè)鐵 磁層 通常是鎳 鐵和鈷的合金 和一個(gè)非磁的金屬 通常是銅 構(gòu)成的三明治結(jié) 構(gòu) 與g m r 電阻不同的是s v 其中一個(gè)鐵磁層中被反磁層釘扎 其自旋磁矩對(duì)外界 磁場(chǎng)不敏感 而另外一個(gè)鐵磁層自旋磁矩由在外磁場(chǎng)作用下方向和大小都會(huì)改變 q 根據(jù)巨磁阻效應(yīng) 自旋閥 s v 的電阻值也會(huì)變化 根據(jù)阻值的大小就可以判斷 出外界磁場(chǎng)方向 s v 磁感應(yīng)器靈敏度相當(dāng)高 可以用于檢測(cè)微弱磁場(chǎng)信號(hào) 利用這 一優(yōu)良特性研制的s v 硬盤磁讀頭靈敏度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)磁讀頭 所以人們可 以把硬盤數(shù)據(jù)磁化點(diǎn)加工得更小 從而增加數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(yīng)用 硬盤存儲(chǔ)密度提高了近千倍 將g m r 結(jié) 構(gòu)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(jié)構(gòu)類似 人們將c m r 結(jié)構(gòu)中 個(gè)鐵磁層釘扎 可以得 到磁隧道結(jié) m t j 碉 基于 m t j 結(jié)構(gòu)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(gè)方向 正在研制近期將具有商品化 的磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器 m r a m 1 1 1 1 2 同樣也基于m t j 結(jié)構(gòu) 它利用磁介質(zhì)來存儲(chǔ)信 息 用磁阻來讀取數(shù)據(jù) 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(jī)存儲(chǔ)器相比 其速度是后者的1 0 0 0 倍 而且只要外 場(chǎng)不改變 磁化的方向就不會(huì)改變 由于磁性的永久存儲(chǔ)特性 所以m r a m 屬于非 揮發(fā)的隨機(jī)存儲(chǔ)器 用于計(jì)算機(jī)后 計(jì)算機(jī)就不需要每次開機(jī)都重新啟動(dòng)和初始化 而是開機(jī)后繼續(xù)上次關(guān)機(jī)時(shí)的狀態(tài)運(yùn)行 即m r a m 在掉電后仍能保持原來的存儲(chǔ)信 息 雖然自旋電子學(xué)取得的成就已經(jīng)令世人矚目 1 日其產(chǎn)品都是以鐵磁性材料為原 料制作 與以電荷傳輸為摹礎(chǔ)的傳統(tǒng)電于學(xué)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(xiàn)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(yán)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(diǎn) 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(diǎn)引入現(xiàn)代電子學(xué) 解決現(xiàn)在其面臨的困境 如 散熱問題 同時(shí)又要方便兩種器件的集成 人們思考能否使用半導(dǎo)體材料來研制自 旋電子器件 在這種情況下 半導(dǎo)體自旋電子學(xué)誕生了 自旋最具前景的應(yīng)用 自旋晶體管 正是基于半導(dǎo)體自旋電子學(xué) 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(huì)使整個(gè)電子產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生革命性的變化 目前已經(jīng)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(zhǎng)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(jì)算和信息處琿1 1 8 2 進(jìn)而也使制作量子計(jì)算機(jī) 1 2 2 7 3 1 成為可能 1 2 半導(dǎo)體自旋電子學(xué)需要解決的問題 半導(dǎo)體自旋電子學(xué)是目前國(guó)際上自旋電子學(xué)的研究熱點(diǎn)之一 人們希望利用半 導(dǎo)體中電子和空穴的自旋自由度實(shí)現(xiàn)自旋電子器件與傳統(tǒng)電子器件的集成制造 半 導(dǎo)體自旋電子學(xué)需要解決的問題包括半導(dǎo)體中的電子自旋極化和注入 以及自旋的 輸運(yùn) 檢測(cè)和控制 1 2 1 半導(dǎo)體中的電子自旋極化和注入 由于半導(dǎo)體中電子和空穴的自旋取向是各向同性的 要在半導(dǎo)體材料中運(yùn)用自 旋性質(zhì) 首先要解決的問題就是在半導(dǎo)體材料中實(shí)現(xiàn)自旋的極化或注入 中山大學(xué)碩十學(xué)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(chǎn)生凈自旋磁矩的過 程 分別如圖1 1 中a b 所示 目前報(bào)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(dòng)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(shè)計(jì)了一種自旋l e d 2 4 2 5 1 利用磁性半導(dǎo)體和非磁半導(dǎo)體之間的 電子自旋注入 自旋偏振電流的注入效率達(dá)到9 0 對(duì)應(yīng)的發(fā)光圓偏振度為0 a 5 光注入方法在自旋動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究中被廣泛使用 本論文第二章中將有較為詳細(xì)的 描述 自旋偏振的電子注入方法主要用在半導(dǎo)體電予自旋器件的大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)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(dǎo)體中 但是鐵磁體與半導(dǎo)體的歐姆接觸界面粗糙 電子受到強(qiáng)的 界面散射容易失去自旋取向 自旋反轉(zhuǎn)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(xiàn)自旋電 注入效率與歐姆接觸的兩種材料的電導(dǎo)率有關(guān) 當(dāng)c r fs 氏時(shí) 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(dāng)仃 盯 時(shí) 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(dǎo)體 f m 金屬 f 3 結(jié)構(gòu) 由1 維半導(dǎo)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(dǎo)是不依賴于自旋的 當(dāng)鐵磁體的磁化由平行變?yōu)榉雌叫袝r(shí) 電阻的整體變化很小 因此 在擴(kuò)散區(qū)是很難獲得對(duì)半導(dǎo)體的自旋注入的 c m h u 0 l 等人做的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度小于1 0 k 時(shí) 半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體材料具有磁性和半導(dǎo)體材料的特征 與微電子材料生長(zhǎng)和器 件工藝匹配 在很低的磁場(chǎng)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(dāng)自旋極化源 1 2 3 自旋輸運(yùn) 檢測(cè)和控制 要實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)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(yùn) 控制和檢測(cè)等問題 這些問題都是目前自旋電子學(xué)的研究 熱點(diǎn) 美國(guó)加洲大學(xué)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(yùn) 發(fā)現(xiàn)g a a s 中電子自旋在1 6 v c m 的電場(chǎng)中能夠輸運(yùn)1 0 0 1 a m 1 1 這樣的輸運(yùn)尺 度已基本上能滿足器件制造需要 自旋輸運(yùn)長(zhǎng)度 又叫自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度 它表示電子 在固體中不喪失自旋相干的擴(kuò)散長(zhǎng)度 自旋輸運(yùn)長(zhǎng)度的典型值是微米 岬 量級(jí) 這個(gè)重要事實(shí)使得在將來的微電子及納電子學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域中使用電子的自旋性質(zhì)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(gè)器件中傳播 在i i v i 族半導(dǎo)體量子阱中 他們發(fā)現(xiàn)電子的自旋即使在室溫下也能夠保存幾個(gè)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(zhuǎn) 這是實(shí)現(xiàn)自旋電子器件的必要條件 在鐵磁 金屬中可以使用磁場(chǎng)控制自旋取向的翻轉(zhuǎn) 但磁場(chǎng)難于做到精確的點(diǎn)控制 瑞典的 y a c r e m a n n 等人報(bào)道了超快磁場(chǎng)的產(chǎn)生i 嘲 有望用于自旋的磁控制 前面的自旋 弛豫 輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)研究中均使用光學(xué)方法檢測(cè)自旋 但作為器件應(yīng)用 最好使用i 影 磁方法檢測(cè)自旋更實(shí)用 方便 目前還沒有有效的電子自旋的電 磁檢測(cè)方法報(bào)道 s d g a n i c h e v 等人提出了將自旋轉(zhuǎn)換為電流的檢測(cè)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(fèi)米能級(jí)處的電子自旋取向 中l(wèi) l i 大學(xué)碩士學(xué)位論文 一致的電子龍能夠有效通過 半導(dǎo)體中自旋極化和注入的問題已經(jīng)基本解決 但自旋的控制方面還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有 達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求 1 3 電子自旋馳豫機(jī)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(nèi)部結(jié)構(gòu)情況下的自旋馳豫時(shí)間的變化 制造實(shí)際的自旋電子器件 最大的障礙有兩個(gè) 將自旋極化電于 或空穴 注入半導(dǎo)體的方法和如何檢測(cè)它們 用圓偏振光激發(fā)半導(dǎo)體注入自旋偏振載流子 可以有很高的注入效率 最高達(dá)1 0 0 而且可以實(shí)現(xiàn)超短脈沖對(duì)電予自旋的各種操縱 3 8 自旋弛豫的探測(cè)已經(jīng)從最 初的穩(wěn)態(tài)熒光探測(cè) 3 9 l 發(fā)展至?xí)r間分辨熒光探測(cè)m4 年口基于自旋偏振的瞬態(tài)透射 或反射抽運(yùn)探測(cè)技術(shù) 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(chǎng)引入附加自旋分裂 刪 外加磁場(chǎng)固化自旋偏振 4 7 1 等方法實(shí)現(xiàn)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(jī)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(shí)刻系統(tǒng)中所有電了波函數(shù)相位是一致的 隨時(shí)間的變化 各電子 波函數(shù)相位仍然保持一致的變化 即同步 這時(shí)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(shí)間 稱為退相時(shí)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(gè)過程持 續(xù)的時(shí)間用正表示 本論文在實(shí)驗(yàn)和琿論工作中所研究的是i i i v 族半導(dǎo)體材料中電 子的自旋退極化過程 即自旋偏振弛豫 人們對(duì)i i i v 族半導(dǎo)體材料中電子的自旋馳豫已經(jīng)有了深入的研究 并確立了幾 種成熟的馳豫機(jī)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(jī)制 e l l i o t t y a f c t e y f 玨 5 3 機(jī) 1 j 并l b i r a r o n o v p i k u s b a p p 4 機(jī)制 由于自旋弛豫時(shí)間對(duì)物質(zhì)參數(shù)有不同的 依賴關(guān)系 人們往咎通過自旋弛豫時(shí)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(shù)的關(guān)系來判斷是哪種機(jī)制在自旋弛豫過程中起豐導(dǎo)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(dǎo)體中電子自旋弛豫機(jī)制 a b c 分別表示d p e y 和b a p 機(jī)制 d p 機(jī)制 源于中心反演不對(duì)稱系統(tǒng)的自旋一軌道相互作用 它使得導(dǎo)帶的自旋 分裂 這一分裂等效于存在一個(gè)與波矢大小k 成正比的有效磁場(chǎng) 驅(qū)使自旋圍繞它 進(jìn)動(dòng) 而載流子與載流子 聲子 雜質(zhì)等的散射作用導(dǎo)致波矢的隨機(jī)化 從而導(dǎo)致 有效磁場(chǎng)的隨機(jī)化 則總體的自旋極化就會(huì)隨之衰減 即產(chǎn)生自旋極化弛豫 因此 電子自旋弛豫時(shí)間 j 與動(dòng)量弛豫時(shí)間f 成反比 稱為 運(yùn)動(dòng)性減慢 當(dāng)散射事件發(fā) 生的越頻繁 動(dòng)量弛豫時(shí)間越短 這種 運(yùn)動(dòng)性減慢 作用越強(qiáng) 自旋弛豫時(shí)間越長(zhǎng) l m u n o z 根據(jù)d p 機(jī)制推出量子阱中電子的自旋弛豫時(shí)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(zhì)量 是分裂系數(shù) 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(jī)制在高溫 t 5 0 k 和非中心對(duì)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(dǎo)體中起主導(dǎo)作用 e y 機(jī)制 e l l i o t t y a f e t 機(jī) 1 j 是基于自旋一軌道耦合 使具有相反自旋量子數(shù)的波 函數(shù)彼此耦合 具有確定自旋方向和不確定動(dòng)量的自旋本征態(tài)不再存在 這樣 動(dòng) 量散射過程能直接導(dǎo)致自旋的翻轉(zhuǎn)散射 中山大學(xué)碩十學(xué)位論文 由于自旋軌道禍合相互作用 導(dǎo)帶中電子的哈密頓量出現(xiàn)一個(gè)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(zhì)量 以 為載流子的散射勢(shì) l s 分別表示軌道角動(dòng)量和自旋角動(dòng)量 根據(jù)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(zhuǎn)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(guān)系以后計(jì)算出量子阱q b e y 弛豫 機(jī)制決定的自旋弛豫時(shí)間為 卅 專 亂寺m 丟 2 警吉 其中 為自旋分裂能量 對(duì)于g a a s a o 3 4 e v e y 機(jī)制主要作用在窄帶隙半導(dǎo) 體材料中 d p 機(jī)制和e y 機(jī)制最大的區(qū)別在于它們對(duì)動(dòng)量弛豫時(shí)間t 有相反的依賴關(guān)系 增強(qiáng)散射強(qiáng)度會(huì)使e y 機(jī)制更有效 而d p 機(jī)制的作用將減弱 事實(shí)上 在e y 過程中 碰撞散射會(huì)使自旋翻轉(zhuǎn) 碰撞越劇烈 自旋翻轉(zhuǎn)幾率越丈 而d p 機(jī)制中碰撞通過波 矢方向的變化來改變電子的有效磁場(chǎng) 從面間接改變自旋進(jìn)動(dòng)的方向 b a p 機(jī)制 在電子一空穴交換散射中發(fā)現(xiàn) 空穴動(dòng)量散射較強(qiáng) 它引起電子的 自旋翻轉(zhuǎn)散射 即空穴自旋以有效磁場(chǎng)作用f 電廠自旋 使得電子進(jìn)動(dòng) 當(dāng)空穴動(dòng) 量弛豫速率大于有效磁場(chǎng)的進(jìn)動(dòng)速率時(shí) 即當(dāng)電r 自旋還沒有進(jìn)動(dòng)完一個(gè)周期前空 穴動(dòng)量就改變 則交換散射作用使得電子自旋翻轉(zhuǎn) 那么電子自旋弛豫又回到 運(yùn)動(dòng) 性減慢 的d p 模式 對(duì)空穴簡(jiǎn)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(shù) 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(jī)制主要在大量空穴存在時(shí)起主導(dǎo)作用 對(duì)n 型半導(dǎo)體 由于大量電子的存 在使得電子空穴快速?gòu)?fù)合 b a p 作用就被阻礙了 因此b a p 機(jī)制主要作用于低溫以 及p 型半導(dǎo)體 上述都是三種比較成熟的電子自旋馳豫機(jī)制理論 大量的實(shí)驗(yàn)都證明了它們?cè)?各自前提下的正確性 但人們對(duì)電子自旋馳豫機(jī)制的研究并不止于此 m w w u f 5 9 6 0 就在d p 機(jī)制基礎(chǔ)上 從多體效應(yīng)動(dòng)力學(xué)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?cè)谘芯孔孕谠r(shí) 會(huì)忽略它的影響 只認(rèn)為自旋反轉(zhuǎn)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(dòng)態(tài) 在上述三種電子自旋弛豫理論的基礎(chǔ)上 人們對(duì)電子的自旋弛豫機(jī)制進(jìn)行了深 入研究 并且取得了顯著的進(jìn)展 電子的自旋退偏振的一個(gè)重要內(nèi)容就是縱向弛豫 時(shí)間 1 9 8 0 年 a l f a n 0 1 4 0 1 首次應(yīng)用條紋照相機(jī)研究發(fā)光圓偏振度隨時(shí)間的變化 在 發(fā)光圓偏振度等于電子自旋偏振度假設(shè)下 獲取自旋偏振弛豫動(dòng)力學(xué) 實(shí)驗(yàn)測(cè)得 g a a s 體材料在載流子濃度為7 l o 硎1 時(shí)電子的自旋弛豫時(shí)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(shí)驗(yàn) 對(duì)于更具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)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(cè)量光的圓偏振度來間接測(cè)量電子的自旋偏 振情況 所以這就存在一個(gè)測(cè)量方法的準(zhǔn)確性問題 十年后 人們利用跟自旋相關(guān)的抽運(yùn)探測(cè)測(cè)量技術(shù)和利用改良后的條紋相機(jī)采 用時(shí)間分辨光致熒光法可以直接測(cè)量自旋弛豫過程 并且把對(duì)自旋動(dòng)力學(xué)的研究從 體材料擴(kuò)展到量子約束結(jié)構(gòu)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(guān)的光學(xué)非線性性質(zhì)來直接觀 測(cè)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(yùn)探測(cè)技術(shù)來研 9 中山大學(xué)碩十學(xué)位論文 究電子的自旋弛豫情況 室溫下測(cè)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(shí)間是3 2 p s 后來他們利用瞬態(tài)飽和吸收技術(shù)測(cè)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(shí)間 實(shí) 驗(yàn)發(fā)現(xiàn)g a a s a i g a a s 量子阱中電子的自旋弛豫時(shí)間t 跟束縛能e 有關(guān) 并且有 f e f 22 這與根據(jù)d p 機(jī)制推導(dǎo)出的理論關(guān)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(dǎo)弛豫機(jī)制是d p 機(jī)制 實(shí)驗(yàn)還測(cè)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(shí)間是5 p s 并 且電了的自旋弛豫時(shí)間隨電了束縛能毛 的變化而變化 且有z o c e 1o 而根據(jù) e y 機(jī)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(dǎo)地位的是e y 弛豫機(jī) 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(duì)電子自旋弛豫時(shí)間的影響 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電子的自旋弛豫時(shí)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(diào)整施加在量子阱上的電場(chǎng)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(shí)間也隨之延長(zhǎng) 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(yīng)引起的 并且d p 機(jī)制認(rèn)為電子的 自旋弛豫是由于電子動(dòng)量的隨機(jī)化導(dǎo)致的 且只有電子散射跟自旋弛豫有關(guān) 因此 d p 機(jī)制認(rèn)為電子的自旋弛豫不會(huì)受到周圍空穴的影響 也就是說d p 機(jī)制是電子和 空穴間距無關(guān)的 因此在這種情況下除了d p 機(jī)制 還有另外一種跟電子一空穴交換 相瓦作用有關(guān)的機(jī)制對(duì)電子的自旋弛豫起作用 b a p 機(jī)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(jī)制認(rèn)為自由電子和空 穴的自旋弛豫時(shí)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(shù)的重疊 積分成正比 顯然電子和空穴間距減少導(dǎo)致交換能的增加從而導(dǎo)致電子的自旋弛豫 時(shí)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(shí)間跟阱寬e l 即束縛能 的關(guān)系 對(duì)于較大阱寬 由聲子作用下的動(dòng)量散射導(dǎo)致 的d p 機(jī)制 使得電子的a 旋弛豫速率趨向于跟本征材料一樣 對(duì)較窄的阱寬 電子 的自旋弛豫速率強(qiáng)烈依賴于e 這也跟d p 機(jī)制預(yù)計(jì)的一樣 佃是對(duì)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(nèi)界面結(jié)構(gòu)的不同引起的 p i lh u ns o n g 和k w k i m l 根據(jù)e y d p b a p 機(jī)制以溫度和摻雜濃度作為 參量 理論上計(jì)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(dǎo)帶電子自 旋弛豫時(shí)間 并比較了各弛豫機(jī)制在不同條件下的作用 發(fā)現(xiàn)當(dāng)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(shí) d p 機(jī)制主要作用于低溫至高溫 而在較低的溫度下e y 機(jī)制占主導(dǎo)地位 當(dāng)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(shí) b a p 機(jī)制在低溫和高受主濃度情況下起主導(dǎo)作用 d p 機(jī)制在高溫和低受主濃 度情況下起主導(dǎo)作用 p m u r z y n 等人1 6 5 采用抽運(yùn)探測(cè)技術(shù)測(cè)量了溫度為3 0 0 k 時(shí)本征和簡(jiǎn)并n 型i n a s 和i n s b 的自旋壽命 測(cè)得近簡(jiǎn)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(duì)本征l n a s 測(cè)得t 2 0 p s 與他人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符 窄帶隙半導(dǎo)體材料 中的自旋弛豫過程主要有兩種 d p 機(jī)制和e y 機(jī)制 對(duì)本征和微量摻雜樣品 根據(jù) d p 機(jī)制理論 實(shí)驗(yàn)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(jù)e y 機(jī)制理論 實(shí)驗(yàn)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(jī)制是1 1 1 v 族材料在室溫下 高于7 7 k 的主導(dǎo)機(jī)制 對(duì)于高摻雜n h a a s d f 機(jī)制由于簡(jiǎn)并情況和電子一電子散射作用而受到抑制 e y 機(jī)制占據(jù)主導(dǎo)地位 t h o m a sf b o g g e 舔等人嗍實(shí)驗(yàn)測(cè)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(yùn)探測(cè)技術(shù)用波長(zhǎng)為3 a 3 腳的光波測(cè)得電子自旋弛豫時(shí)間f 為 1 9 士4 p s 這與基于d p 機(jī)制的自旋進(jìn)動(dòng)弛豫理論計(jì)算值2 1 p s 符合的很好 t s o g a w a 6 l l 等人測(cè)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(shí)間 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)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(duì)比量子線材料和量子阱材料的自旋 弛豫時(shí)間 發(fā)現(xiàn)低溫 1 5 8 0 k 下 在一維結(jié)構(gòu)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(zhǎng)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(jī)制 研究了溫度 阱寬和攙雜濃度對(duì)自旋馳 豫時(shí)間的影響 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度t y 3 0 k 時(shí) n 攙雜 1 0 0 面生長(zhǎng)g a a s a 1 a s 量予阱中電 中山大學(xué)碩十學(xué)位論文 子自旋馳豫時(shí)間的變化規(guī)律完全符合d p 機(jī)制 而毒溫 1 i o 面生長(zhǎng)量了 阱中電子自旋 馳豫時(shí)間要比 1 0 0 面生長(zhǎng)量子阱中電子自旋馳豫時(shí)間大3 0 倍 他們認(rèn)為是d p 機(jī)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(jī)制對(duì)電子自旋退相的影響 實(shí)驗(yàn) 表明電子的自旋退相時(shí)間會(huì)受到溫度 雜質(zhì)攙雜水平 磁場(chǎng) 電 f 濃度等的影響 實(shí)驗(yàn)表明低溫下在有雜質(zhì)數(shù)射的情況下電子自旋退相時(shí)間會(huì)隨著溫度的增加而增 加 而這一點(diǎn)跟d p 機(jī)制的預(yù)言是相反的 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)有雜質(zhì)引入時(shí)電子的自旋 退相時(shí)間會(huì)減少 t 日是如果進(jìn)一步增加雜質(zhì)濃度 電子自旋退相時(shí)間反而會(huì)增加 電子自旋退相時(shí)間隨雜質(zhì)水平的變化可以這樣理解 首先d p 項(xiàng)和散射項(xiàng)部不能單獨(dú) 產(chǎn)生電子的自旋退相 它們二者必須結(jié)合在一起才能產(chǎn)牛電子自旋退相 然而還有 一點(diǎn)需要值得注意的 那就是散射也會(huì)使得電子在動(dòng)量空間重新分布并且趨向于使 得電子在動(dòng)量空間各向同性分布 因而當(dāng)進(jìn)一步把雜質(zhì)濃度增加一個(gè)數(shù)量級(jí)的時(shí)候 由d p 效應(yīng)引起的各向異性被抑制了 從而使得電子自旋退相時(shí)間增加 此外實(shí)驗(yàn)表 明在d p 效應(yīng)被抑制的情況下 電子自旋退相時(shí)間對(duì)磁場(chǎng)的依賴性也被抑制了 m w w u 等人的理論預(yù)言在有雜質(zhì)存在的情況下電子的自旋退相時(shí)間會(huì)隨著溫度的增加 而增加 但是這一點(diǎn)正好跟以往的只是簡(jiǎn)單處理d p 效應(yīng)得到的結(jié)果相反 雖然人們?cè)谧孕谠パ芯糠矫嫒〉昧嗽S多可喜的成果 驗(yàn)證了在不同條件下自 旋弛豫的宅導(dǎo)機(jī)制 但是在特殊情況下 如文獻(xiàn) 6 8 中所述 n 型g a a s 中電子自旋 弛豫機(jī)制也不完全符合人們普遍認(rèn)同的d p 機(jī)制 說明我們現(xiàn)有的理論還需要進(jìn)一步 發(fā)展 以便解釋新的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 本論文選擇在自旋電子學(xué)中應(yīng)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(gè)因 素作為研究對(duì)象 進(jìn)一步研究電子自旋弛豫機(jī)理 了解這些因素的作用規(guī)律等這些 過去尚未在實(shí)驗(yàn)上和理論上檢測(cè)和分析的問題 為相關(guān)的應(yīng)用和器件設(shè)計(jì)提供新的 參考 1 5 本論文的主要成果和結(jié)構(gòu)安排 本論文采用橢圓偏振光泵浦 探測(cè)光譜技術(shù) 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(duì)象 從實(shí)驗(yàn)和理論兩個(gè)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(yùn)用橢圓偏振光泵浦 探測(cè)光譜技術(shù)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(dòng)量弛豫及載流子濃度的關(guān)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(dòng)量馳豫時(shí)間 得到了電子自旋時(shí)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(dòng)量馳豫 時(shí)間縮短 電子自旋馳豫時(shí)間增加 實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合d p 機(jī)制 證實(shí)了動(dòng)量馳豫過程 對(duì)電子自旋馳讖影響 這一結(jié)果對(duì)認(rèn)識(shí)和應(yīng)用量子阱中電子自旋的注入和弛