GaAs及其量子阱中电子自旋极化、相干与弛豫动力学研究

摘要

自旋电子学主要研究如何在固体中有效的控制电子的自旋自由度，希望利用自旋自由度取代或结合传统电子器件中的电荷自由度，从而实现新型的自旋电子学器件来代替传统的电子器件。然而，真正利用半导体的自旋自由度实现自旋电子器件还有很长的路要走。原因在于半导体自旋电子学中电子自旋的极化、探测、弛豫和输运等基本问题尚需进一步的深入研究。近年来，超短激光脉冲技术的发展为人们研究光与物质相互作用的微观过程提供了高的时间分辨工具，本文利用该技术围绕自旋电子学的自旋极化、相干及弛豫等基本问题进行了研究，具体如下： 第一，研究了常温与低温下本征GaAs导带中各能级带填充效应和带隙重整化效应的相互竞争，发现带底附近有明显的饱和吸收现象，然而高过超能量态带隙重整化效应强于带填充相应，出现吸收增强现象，并且能量越高吸收增强现象越明显。理论模拟结果和实验结果很好的符合。 第二，发展了高过超能量态圆偏振光抽运-探测光谱的理论模型。理论上给出了导带中非简并二能级系统的电子自旋极化度定义。发现实验量子拍的振幅不仅仅依赖于电子初始自旋极化度，而是依赖于电子初始自旋极化度与自旋探测灵敏度及带填充因子三者的乘积。基于此模型的模拟计算表明导带底的电子初始自旋极化度仅约10％，但电子初始自旋极化度随电子过超能量单调快速递增。当过超能量仅大于30 meV时，电子初始自旋极化度即可达100％，表明GaAs基自旋电子器件应该工作在较高的过超能量态。 第三，研究了电子自旋相干和电子弛豫动力学的能量演化。计算表明量子拍相位在1.56eV处翻转1800的现象起源于轻空穴价带-导带跃迁强度超过重空穴价带—导带跃迁强度。发现从重空穴价带—导带跃迁探测到的电子g因子与从轻空穴价带—导带跃迁探测到的电子g因子随过超能量服从不同的线性关系，从而说明kp理论的不完善性。发现自旋极化对电子弛豫动力学具有显著的影响。仅在导带底附近测量时，利用时间分辨圆偏振光和线偏振光抽运—探测光谱测试到的电子寿命一致，而在高过超能量电子态测量时，两种方法测试到的电子寿命不一致。 第四，研究了GaAs及其量子阱中电子自旋极化度和弛豫时间的浓度依赖。在GaAs量子阱的研究中发现，强散射极限下，载流子浓度比较低，DP项的一次方项起主要作用，由于散射对非均匀扩展的抑制增强，自旋弛豫时间增大。然而，当载流子浓度足够大时，DP项的三次方项起主要作用，由于非均匀扩展和BAP机制的增强，自旋弛豫时间随载流子浓度的增大而减小。发现体GaAs导带底附近电子初始自旋极化度小于通常认为的0.5，并且电子初始自旋极化度和自旋弛豫时间均随光注入载流子浓度的增大而减小，但该现象并非起源于以前认为的带隙重整化效应。体GaAs中随载流子浓度的增大BAP机制增强直至起主导作用，电子自旋弛豫增强。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 前沿

1.1 自旋电子学器件

1.1.1 Datta-Das晶体管

1.1.2 Johnson晶体管

1.1.3 SPICE晶体管

1.1.4 Monsma晶体管

1.1.5自旋发光二极管

1.2自旋电子学存在的主要问题

1.2.1自旋极化

1.2.2自旋探测

1.2.3自旋弛豫

1.2.4自旋输运

1.2.5自旋控制

1.3本论文的主要成果

参考文献

第2章GaAs中载流子动力学的研究

2.1引言

2.2常温下载流子动力学的研究

2.2.1线偏振光抽运-探测实验系统描述

2.2.2载流子动力学的能量演化实验观察

2.2.3线偏振光抽运-探测光谱的理论模型

2.2.4带填充和带隙重整化效应的竞争

2.2.5载流子寿命的拟合方法

2.3低温下载流子动力学研究

2.3.1载流子动力学的能量演化实验观察

2.3.2带填充和带隙重整化效应竞争的能量依赖

2.3.3载流子动力学的浓度依赖实验观察

2.3.4带填充和带隙重整化效应的竞争的浓度依赖

2.4 小结

附录：吸收系数的推导

参考文献

第3章 GaAs中电子自旋极化的能量演化研究

3.1 引言

3.2电子自旋相干动力学的能量演化实验

3.2.1电子自旋相干弛豫动力学模型

3.2.2实验系统描述

3.2.3能量演化实验结果

3.3高过超能量态圆偏振光抽运—探测光谱的理论模型

3.3.1考虑和不考虑轻重空穴价带自旋混合的跃迁选择定则

3.3.2不考虑轻重空穴价带自旋混合的抽运—探测光谱理论模型

3.3.3考虑轻重空穴价带自旋混合的抽运—探测光谱理论模型

3.4自旋极化度能量演化的理论模拟

3.4.1自旋极化电子在导带中的分布

3.4.2电子自旋极化度的能量演化

3.4.3量子拍振幅能量演化的理论模拟

3.5 小结

附录A：考虑轻重空穴自旋混合的抽运—探测光谱理论模型的推导

附录B：电子温度的模拟

参考文献

第4章 GaAs中电子自旋相干与电子弛豫动力学的能量演化研究

4.1引言

4.2电子自旋相干与电子弛豫动力学的能量演化

4.2.1实验结果与讨论

4.2.2圆偏振光抽运—探测光谱的理论模拟

4.2.3利用轻重空穴自旋混合模型计算的圆偏振光抽运—探测光谱

4.3电子自旋相干动力学的浓度依赖

4.3.1浓度依赖实验结果

4.3.2圆偏振光抽运—探测光谱的理论模拟

4.4电子g因子的能量演化

4.5自旋极化对电子弛豫动力学的影响

4.5.1自旋极化与非极化电子的分布

4.5.2线偏振和圆偏振抽运—探测透射谱的对比

4.5.3带填充效应和带隙重整化效应的贡献

4.6自旋极化与非极化电子弛豫动力学的浓度依赖

4.6.1实验结果

4.6.2线偏振和圆偏振抽运—探测透射谱的模拟

4.6.3带填充效应和带隙重整化效应的贡献

4.7小结

参考文献

第5章 常温下GaAs及其量子阱中电子自旋极化和弛豫的浓度依赖研究

5.1引言

5.2自旋弛豫机制

5.2.1 DP机制

5.2.2 BAP机制

5.2.3 EY机制

5.2.4超精细相互作用机制

5.2.5弛豫机制之间的关系

5.2.6非均匀扩展引起的自旋弛豫

5.3模型和KSBE方程

5.4 GaAs中电子自旋极化的浓度依赖

5.4.1实验结果

5.4.2初始自旋极化度浓度依赖的模拟

5.5 GaAs及其量子阱中电子自旋弛豫时间的浓度依赖比较

5.5.1实验结果

5.5.2模拟计算

5.6小结

参考文献

总结

攻读博士期间发表论文目录

致谢