半导体低维体系中的光学二次谐波成像技术和自旋动力学研究

摘要

在半导体自旋电子学领域，自旋的注入和探测，自旋的传输，自旋的相干操控等都是极具挑战性的课题，其中，自旋的注入和探测尤为重要。利用偏振光可以在非磁性半导体中有效地注入自旋极化，而利用光透过率，偏振，光致发光或光学非线性的变化可以有效地对自旋极化进行探测。而且，利用光学方法注入和探测自旋极化具有无接触，噪声小，灵敏度高，时间和空间分辨率高等优点。 本论文分为四章，第一章讨论了半导体自旋电子学的发展，内容，分类等，着重介绍了非磁性半导体中的自旋光注入和光探测的相关理论和实验进展，为我们的实验探测方法的基础。 第二章分析了半导体中自旋流的相关理论预言和实验探测，介绍了无耗散自旋流，本征自旋流，自旋波包劈裂，量子霍尔效应的理论预言，电场、磁场下自旋波包的劈裂实验探测，光注入自旋劈裂的实验探测，以及量子自旋霍尔效应的实验探测，是光注入自旋和探测的理论基础。 第三章介绍了我们的实验设计，相关公式推导，和实验结果。我们首先讨论了单束线偏振光注入自旋极化的方向，强度的空间分布等;然后介绍GaAs体系中的光学二次谐波计算公式，讨论了有自旋和电流极化存在时，光学二阶非线性极化率的表达式，从理论上预言可以利用不同的probe光探测出单束线偏振光注入的自旋和电荷密度引起的有效电场和磁场分布，最后构建pump-probe二次谐波成像探测实验装置，并利用这个装置对单束线偏振光引发的自旋和电荷空间分布进行成像，结果表明，自旋的空间分布与二维电子气样品中自旋波包的传输特性非常相似，由此说明，二次谐波成像法是一个有效的自旋探测方法。 第四章我们研究了各种不同ZnO纳米材料的二次谐波和三阶光学非线性特性。我们对具有高度整齐性的ZnO纳米线阵列进行了结构和光学性质的探测，在入射角为60度，p偏振的情况下，发现了二次谐波强度的极大值，通过对此样品的介电函数和折射率的理论分析，我们分析了这种增强的原因;另外我们制备了石英基底下的ZnO微晶薄膜，在不同退火温度下，这种薄膜具有不同的晶体结构，我们研究了这种ZnO微晶的三阶光学非线性，发现1050度高温退火的样品具有最强的非线性吸收率，我们将这种增强归结于表面态效应;最后我们制备了不同组分的ZnTiO复合薄膜，一定掺杂的薄膜具有非晶体结构，他们同时表现出直接和间接跃迁吸收特性，并具有很强的非线性吸收特性。

目录

声明

摘要

引言

第一章 半导体自旋注入和探测简介

1．1半导体自旋电子学简介

1．1．1自旋电子学的内容和发展

1．1．2半导体自旋电子学分类

1．2半导体中的自旋注入和探测

1．2．1磁性半导体中自旋的注入

1．2．2非磁性半导体中自旋的注入

1．2．3半导体中自旋的探测方法

第二章 半导体自旋流的相关理论和实验介绍

2．1自旋流相关理论预言

2．1．1半导体无耗散自旋流理论预言

2．1．2半导体二维体系本征自旋流的理论预言

2．1．3半导体二维体系中自旋波包劈裂的理论预言

2．1．4本征自旋流测量方案的理论预言

2．2自旋霍尔效应与逆自旋霍尔效应的相关探测

2．2．1 GaAs中的自旋霍尔效应

2．2．2自旋霍尔效应与自旋LED

2．2．3 HgTe中的量子自旋霍尔效应

2．2．4逆自旋霍尔效应

2．2．5时间分辨自旋霍尔效应的探测

2．3半导体二维体系光注入自旋及其扩散和分离的光学探测

2．3．1电、磁场控制自旋分离

2．3．2光注入探测自旋分离

2．4本章总结

第三章 AlGaAs／GaAs二维电子气中光注入电，磁场分布和光探测

3．2 AlGaAs二维电子气样品的光注入自旋

3．2．1不同偏振的泵浦激光在GaAs中产生自旋和电极化情况

3．2．2单束线偏振光在GaAs类半导体中注入自旋极化

3．2．3注入光偏振，样品晶格方向和自旋极化方向关系

3．3 AlGaAs二维电子气样品电场和磁场的二次谐波探测

3．3．1 GaAs中的二阶非线性光学发射

3．3．2探测光对于光注入自旋和电荷分布的二阶非线性极化

3．4单束线偏振光泵浦二次谐波探测光路

3．4．1注入和探测光路的设置

3．4．2光路和调节的计算

3．5探测结果和相关讨论

3．5．1 pump光导致二次谐波强度变化分布

3．5．2 pump光注入电场和磁场的空间分布探测和讨论

3．6 AlGaAs二维电子气样品中的自旋光栅探测

3．6．1自旋光栅的形成和探测机理

3．6．2自旋光栅探测光路

3．6．3实验结果和分析

第四章 ZnO纳米线阵列和微晶薄膜的二阶和三阶光学非线性增强

4．1 ZnO纳米线阵列的非线性光学特性

4．1．1引言

4．1．2 ZnO纳米线阵列的制备，结构和表征

4．1．3 ZnO纳米线阵列的透过率和反射率谱

4．1．4 ZnO纳米线阵列的二次谐波特性

4．1．5 ZnO纳米线阵列的三阶光学非线性特性

4．2 ZnO微晶薄膜的三阶非线性光学增强

4．2．1引言

4．2．2 ZnO微晶薄膜的制备过程

4．2．3利用XRD研究ZnO微晶薄膜的晶体结构

4．2．4 ZnO微晶薄膜的光学透过率谱和能带结构

4．2．5 ZnO微晶薄膜的三阶光学非线性吸收增强

4．3 ZnTiO复合薄膜的三阶光学非线性吸收特性

4．3．1引言

4．3．2 ZnTiO复合薄膜样品的制备

4．3．3 ZnTiO复合薄膜的结构和光吸收谱

4．3．4 ZnTiO复合薄膜的三阶光学非线性特性

4．4本章小结

参考文献

博士期间论文和奖励情况

致谢