GaAs及其量子阱中電子自旋極化、相干與弛豫動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、自旋電子學(xué)主要研究如何在固體中有效的控制電子的自旋自由度，希望利用自旋自由度取代或結(jié)合傳統(tǒng)電子器件中的電荷自由度，從而實(shí)現(xiàn)新型的自旋電子學(xué)器件來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電子器件。然而，真正利用半導(dǎo)體的自旋自由度實(shí)現(xiàn)自旋電子器件還有很長(zhǎng)的路要走。原因在于半導(dǎo)體自旋電子學(xué)中電子自旋的極化、探測(cè)、弛豫和輸運(yùn)等基本問(wèn)題尚需進(jìn)一步的深入研究。近年來(lái)，超短激光脈沖技術(shù)的發(fā)展為人們研究光與物質(zhì)相互作用的微觀過(guò)程提供了高的時(shí)間分辨工具，本文利用該技術(shù)圍繞自旋電子學(xué)的

2、自旋極化、相干及弛豫等基本問(wèn)題進(jìn)行了研究，具體如下： 第一，研究了常溫與低溫下本征GaAs導(dǎo)帶中各能級(jí)帶填充效應(yīng)和帶隙重整化效應(yīng)的相互競(jìng)爭(zhēng)，發(fā)現(xiàn)帶底附近有明顯的飽和吸收現(xiàn)象，然而高過(guò)超能量態(tài)帶隙重整化效應(yīng)強(qiáng)于帶填充相應(yīng)，出現(xiàn)吸收增強(qiáng)現(xiàn)象，并且能量越高吸收增強(qiáng)現(xiàn)象越明顯。理論模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好的符合。 第二，發(fā)展了高過(guò)超能量態(tài)圓偏振光抽運(yùn)-探測(cè)光譜的理論模型。理論上給出了導(dǎo)帶中非簡(jiǎn)并二能級(jí)系統(tǒng)的電子自旋極化度定義。發(fā)現(xiàn)

3、實(shí)驗(yàn)量子拍的振幅不僅僅依賴于電子初始自旋極化度，而是依賴于電子初始自旋極化度與自旋探測(cè)靈敏度及帶填充因子三者的乘積?；诖四Ｐ偷哪M計(jì)算表明導(dǎo)帶底的電子初始自旋極化度僅約10％，但電子初始自旋極化度隨電子過(guò)超能量單調(diào)快速遞增。當(dāng)過(guò)超能量?jī)H大于30 meV時(shí)，電子初始自旋極化度即可達(dá)100％，表明GaAs基自旋電子器件應(yīng)該工作在較高的過(guò)超能量態(tài)。 第三，研究了電子自旋相干和電子弛豫動(dòng)力學(xué)的能量演化。計(jì)算表明量子拍相位在1.56eV

4、處翻轉(zhuǎn)1800的現(xiàn)象起源于輕空穴價(jià)帶-導(dǎo)帶躍遷強(qiáng)度超過(guò)重空穴價(jià)帶—導(dǎo)帶躍遷強(qiáng)度。發(fā)現(xiàn)從重空穴價(jià)帶—導(dǎo)帶躍遷探測(cè)到的電子g因子與從輕空穴價(jià)帶—導(dǎo)帶躍遷探測(cè)到的電子g因子隨過(guò)超能量服從不同的線性關(guān)系，從而說(shuō)明kp理論的不完善性。發(fā)現(xiàn)自旋極化對(duì)電子弛豫動(dòng)力學(xué)具有顯著的影響。僅在導(dǎo)帶底附近測(cè)量時(shí)，利用時(shí)間分辨圓偏振光和線偏振光抽運(yùn)—探測(cè)光譜測(cè)試到的電子壽命一致，而在高過(guò)超能量電子態(tài)測(cè)量時(shí)，兩種方法測(cè)試到的電子壽命不一致。 第四，研究了G

5、aAs及其量子阱中電子自旋極化度和弛豫時(shí)間的濃度依賴。在GaAs量子阱的研究中發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)散射極限下，載流子濃度比較低，DP項(xiàng)的一次方項(xiàng)起主要作用，由于散射對(duì)非均勻擴(kuò)展的抑制增強(qiáng)，自旋弛豫時(shí)間增大。然而，當(dāng)載流子濃度足夠大時(shí)，DP項(xiàng)的三次方項(xiàng)起主要作用，由于非均勻擴(kuò)展和BAP機(jī)制的增強(qiáng)，自旋弛豫時(shí)間隨載流子濃度的增大而減小。發(fā)現(xiàn)體GaAs導(dǎo)帶底附近電子初始自旋極化度小于通常認(rèn)為的0.5，并且電子初始自旋極化度和自旋弛豫時(shí)間均隨光注入載流子濃