基于介觀和多體層面的對于半導(dǎo)體自旋電子學(xué)中若干問題的研究.pdf

1、自旋電子學(xué)是一門研究如何在固體中有效地控制自旋自由度的新興交叉學(xué)科，人們希望利用自旋自由度來取代或者結(jié)合傳統(tǒng)電子學(xué)器件中的電荷自由度，從而實現(xiàn)新型的自旋電子學(xué)器件。研究自旋電子學(xué)器件要解決的主要問題有：如何有效地產(chǎn)生自旋極化；自旋極化保持的時間和輸運的距離，以及如何操控它們；自旋極化的探測。在本論文中，我們將基于介觀和多體層面來研究受限半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)中，主要是量子阱/線系統(tǒng)，自旋極化的產(chǎn)生以及自旋弛豫/去相位問題，前者包括自旋過濾器和自

2、旋霍爾效應(yīng)兩個方面。 在論文中我們首先回顧了自旋電子學(xué)的發(fā)展，包括各種自旋電子學(xué)器件，自旋極化的產(chǎn)生、探測，自旋弛豫/去相位機制，以及Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體材料中自旋軌道耦合的來源，包括Dresselhaus、Rashba和Elliott-Yafet自旋軌道耦合。我們比較仔細地給出了自旋系綜的各種自旋弛豫機制及其計算方法，主要包括Elliott-Yafet機制，D'yakonov-Perel，機制，Bir-Aronov-Pikus機制以

3、及原子核超精細相互作用，還詳細討論了非均勻擴展導(dǎo)致的自旋弛豫/去相位機制。之后我們還介紹了動力學(xué)自旋Bloch方程的發(fā)展過程和主要結(jié)果，回顧了Singwi-Tosi-Land-Sjolander局域場修正(localfieldcorrection)，這些都屬于多體問題的研究。此外，我們還回顧了介觀物理的一些基本概念及其常用的Landauer-Büttiker公式，這些屬于介觀物理的范疇。 在多體問題的研究中，通過建立和求解動力學(xué)

4、自旋Bloch方程，我們研究了量子阱系統(tǒng)中的自旋弛豫/去相位問題。我們首先研究了沿(001)方向生長的n型GaAs量子阱中的自旋弛豫/去相位時間，在計算中考慮了所有可能的散射：電子-縱向光學(xué)聲子散射、電子-非磁性雜質(zhì)散射、電子-電子庫侖散射，特別是電子-聲學(xué)聲子散射的計入使我們的研究范圍擴大到了低溫區(qū)。我們把得到的自旋弛豫/去相位時間與實驗數(shù)據(jù)在很大的溫度范圍內(nèi)做比較，證明我們的理論與Ohno等人的實驗[PhysicaE6，817(20

5、00)]符合得非常好。更重要的，我們指出庫侖作用不僅僅在高溫時很重要，在低溫下也很重要，我們預(yù)言了一個自旋弛豫/去相位時間的峰，它來源于庫侖作用在簡并和非簡并區(qū)相反的溫度依賴關(guān)系。目前該現(xiàn)象已被Ruan等人的實驗所證實[Phys.Rev.B77，193307(2008)]。此外我們還詳細研究了電子濃度、雜質(zhì)濃度、量子阱阱寬、溫度以及外加電場對自旋弛豫時間的影響· 此外，我們還研究了本征和p型GaAs量子阱中由Bir-Aronov

6、-Pikus機制引起的自旋弛豫/去相位，指出利用費米黃金規(guī)則計算的Bir-Aronov-Pikus機制的自旋弛豫/去相位時間是做了彈性散射近似進而忽略了電子-空穴交換相互作用中的非線性項后的結(jié)果，因此是不準確的。我們的計算表明量子阱中的自旋弛豫/去相位和體材料中的是很不一樣的。在二維情況下，Bir-Aronov-Pikus幾乎不可能占主導(dǎo)作用，其貢獻要么小于，至多只是和D'yakonov-Perel’機制可以比擬。 Weng和W

7、u在文獻[Phys.Rev.B68，075312(2003)]中預(yù)言，自旋弛豫/去相位時間會隨著自旋極化的變大而變長。這個效應(yīng)來源于庫侖相互作用的Hartree-Fock項，該項起到了一個沿z方向的有效磁場的作用，該磁場會隨著自旋極化的變大而增強，并會因為缺乏調(diào)制(detuning)而阻止自旋進動。我們從理論和實驗上詳細研究了初始自旋極化的增加對自旋弛豫/去相位的影響。我們首先在實驗上得到了可觀的自旋極化，并通過時間分辨的法拉第旋轉(zhuǎn)角(

8、Faraday附ration.)和科爾旋轉(zhuǎn)角(Kerrrotation)實驗來驗證上述效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)自旋去相位時間明顯地隨著初始自旋極化的增加而變長，而且它在小極化時是隨溫度上升的，在大極化時卻是隨溫度下降的。這些性質(zhì)和’Weng和Wu的理論預(yù)言完全吻合。此外我們還發(fā)現(xiàn)自旋守恒與自旋翻轉(zhuǎn)的電子一空穴散射以及空穴氣體提供的屏蔽對自旋弛豫/去相位也有一定的影響。 之后我們研究了低溫下n型GaAs量子阱中Singwi-Tosi-Land-

9、Sjolander局域場修正及其對自旋弛豫/去相位的影響。局域場修正包含了隨機相位近似(randomphasespproximation)中忽略的交換-關(guān)聯(lián)空穴的屏蔽作用，它的引入將會削弱了電子-電子庫侖散射和庫侖Hartree-Fock項。我們比較了不同條件下有無局域場修正時的自旋弛豫/去相位時間。當散射的削弱程度大于Hartree-Fock項的削弱程度時，局域場修正在強散射極限下會使自旋弛豫/去相位時間變短，而在弱散射極限下則會使之

10、變長。而當Hartree-Fock項的削弱程度大于散射的削弱程度時，局域場修正會使自旋弛豫/去相位時間變短。 在介觀問題的研究中，我們首先利用格林函數(shù)方法和四端口的Landauer-Büttiker公式研究了二維介觀空穴系統(tǒng)中的自旋霍爾效應(yīng)。我們發(fā)現(xiàn)，即使在自旋向上的重(輕)空穴與自旋向下的重(輕)空穴之間沒有任何的關(guān)聯(lián)時，仍然有自旋霍爾效應(yīng)，且與Γ點簡并與否無關(guān)。如果從一端注入無極化的重空穴，在選擇合適的端口電壓后，可以在橫向

11、的兩個端口得到純的重空穴自旋流，同時伴隨有不純的輕空穴自旋流。而且在二維系統(tǒng)中，空穴的自旋霍爾效應(yīng)比電子的要魯棒(robust)很多。 最后，我們提出了三種新的自旋過濾器模型。一種是利用Aharonov-Bohm環(huán)結(jié)構(gòu)中的相干輸運，并在環(huán)臂上加上周期調(diào)制的磁場，它可以在多個通道上產(chǎn)生自旋極化.一種是利用雙折(double-bend)結(jié)構(gòu)中的相干輸運，在上面加一個較弱的磁場，強烈的共振與反共振會導(dǎo)致很大的自旋極化。還有一種是利用二