受限半导体空穴系统中自旋驰豫的研究

摘要

自旋电子学是用电子的自旋自由度来取代电荷自由度，并以之实现电子器件的功能的新兴学科。从上个世纪8，90年代以来，半导体材料中电子自旋的性质不论是在实验上还是理论上都有了很大的进展。在不同材料、不同结构和不同的条件下自旋的弛豫和去相位的机制也逐渐被人们所了解。然而虽然关于电子的自旋弛豫机制被广泛地研究和讨论，但关于在p型掺杂的半导体中空穴的自旋弛豫和去相位的研究相对而言却比较少。空穴的自旋性质和电子情况有很大不同。譬如说，在体材料中，轻重空穴在Γ点的简并使得空穴的自旋弛豫时间大致与动量的弛豫时间在同一个数量级（100fs左右），而在各种低维度的约束系统当中，轻重空穴在Γ点的简并被解除，但是由于其远比电子情况要大的轨道和自旋之间的耦合作用，其自旋的寿命仍然比电子自旋寿命要短很多。而对于以空穴为载体的自旋器件而言，对空穴的自旋性质的研究是其不可或缺的理论基础。在本论文中，我们着重讨论了在不同的纳米结构中，闪锌矿结构和纤锌矿结构的半导体材料里空穴的自旋性质，以及其对各种环境条件的依赖关系。
　　在第一章中我们首先回顾了闪锌矿结构的半导体以及纤锌矿结构的半导体的能带结构，讨论了自旋轨道耦合相互作用在固体中的来源以及表达式。我们仔细讨论了在不同的受限体系中的自旋轨道耦合的形式和对能谱的影响，也回顾了在各种体系中自旋驰豫的实验和理论进展。接着我们在不同的受限系统中就半导体自旋电子学中自旋驰豫性质尤其是在p型掺杂的半导体材料中的空穴自旋驰豫过程做了详细的讨论。
　　第二章我们在量子点系统中，用完全对角化的方法研究了约束不同生长方向的GaAs量子阱中的量子点系统中空穴的自旋弛豫过程。我们发现对于约束在不同生长方向和不同阱宽量子阱中的量子点，其自旋弛豫时间有着不同的变化规律。并且其变化趋势与量子点中电子的自旋弛豫相反。另外，与电子情况中自旋弛豫主要由压电势导致的声子散射所贡献不同的是，对于此种情况，空穴的自旋弛豫仅来自由形变势所导致的空穴—声子散射的贡献。应力的作用也随着生长方向的改变而改变，它可以被用来调控轻重空穴态能级的相对位置或者轻重空穴能级之间自旋混合的大小。另外在不同的生长方向和应力下，自旋弛豫时间对磁场的依赖关系也大不相同。我们还指出，和电子在量子点与量子阱的自旋弛豫性质相反的，空穴自旋弛豫时间一直都随阱宽的增大而减小。
　　在第三章里，我们考虑了在p型掺杂GaAs量子线系统中的空穴自旋弛豫过程。我们在Helix自旋空间中数值求解了动力学自旋Bloch方程并由此得到自旋弛豫时间。空穴情况与电子的情况不同，电子情况下其自旋轨道耦合较弱，因此collinear统计已足够，而在这里空穴的自旋轨道耦合很强，因此必须使用Helix统计。并用这个方法，研究了量子线尺寸、空穴浓度、温度以及初始自旋极化等等因素对自旋弛豫时间的影响。通过文中的分析可知，有三种机制会导致自旋弛豫:第一是自旋翻转散射自己;第二是自旋守恒散射与非均匀扩展一同的作用;第三是自旋翻转散射和非均匀扩展一同的作用。但单独的自旋翻转散射仍然是占据主导地位的自旋翻转机制。由于自旋混合和空穴的能带结构都密切地依赖于量子线的约束位形，因此量子线的位形和尺寸可以有效地影响自旋弛豫过程。通过对量子线尺寸的调制，可以使得自旋弛豫时间变化将近两个数量级。同样的，通过改变自旋混合的强度以及带间自旋翻转散射的强度，空穴的浓度和温度也会影响自旋弛豫时间。另外我们还发现Hartree-Fock项会随自旋极化的增大而变得重要并使得自旋弛豫过程变慢。
　　在第四章中我们研究了电子在n型InAs量子线中的自旋驰豫过程。我们通过对多子带的动力学自旋Bloch方程的数值求解得到在n型量子线中电子自旋随着时间演化的过程，并求出其自旋弛豫时间。多子带的加入使得我们可以研究更大线宽的量子线系统。我们发现调节量子线的线宽会改变自旋轨道耦合导致的有效磁场的大小和方向，从而进一步地会改变自旋驰豫时间。我们也考虑了不同生长方向下的自旋驰豫过程。我们指出，通过适当选取量子线的位型与初始极化方向，可以得到一个极长的自旋驰豫时间。更进一步地，我们仔细研究了不同的散射机制以及自旋轨道耦合在不同子带间对自旋驰豫过程的影响。高子带的占据被发现对自旋驰豫有非常大的影响。
　　在第五章里，我们对量子阱系统中p型GaAs材料中小自旋极化下的空穴自旋驰豫过程做了一个系统的研究。在计算中我们包含了外磁场、DP自旋轨道耦合、所有的自旋守恒散射:空穴—声子散射、空穴—空穴散射以及空穴—杂质散射。通过数值求解动力学方程，我们研究了空穴分布函数和自旋相干项的时间演化过程。通过这种方法，我们仔细研究了温度、Rashba系数、杂质和空穴浓度等等因素对自旋驰豫过程的影响。我们比较了电子、轻空穴和重空穴的自旋驰豫过程。并发现电子的非均匀扩展相较于空穴而言要弱得多。因此，电子自旋驰豫时间的绝对大小要远长于空穴。我们的计算也表明:电子—电子库仑散射和电子—杂质散射都使得自旋驰豫时间变长。另外，我们指出重空穴的非均匀扩展要强于轻空穴。空穴自旋驰豫的许多性质都与量子阱中电子的自旋驰豫性质大不相同。
　　然后在第六章里我们也研究了在n型参杂的生长方向为(0001)的ZnO量子阱中的电子自旋驰豫过程。在我们的计算过程中包括了所有的散射。我们通过计算发现在ZnO量子阱中，电子—声子散射的贡献很弱，而电子—电子库仑散射始终都非常重要。因此ZnO量子阱是一个用来研究电子—电子散射的较好的系统。我们发现在杂质浓度较低时，自旋驰豫时间对于温度的依赖关系上会出现一个峰值，另外，在低温时自旋驰豫时间对电子浓度的依赖关系上也存在一个峰值。这两个峰的出现都起源于库仑散射的动量驰豫时间τeep对于温度和电子浓度在简并和非简并这两个不同的区域时的非单调依赖关系。与Ⅲ-Ⅴ族半导体中类似的效应相比较，由于在ZnO材料中的电子—声子散射很弱，这里峰的位置可以高出许多，甚至可以出现在温度为100 K附近，因此这个峰更容易被实验观测到。我们也研究了在ZnO量子阱中的热电子效应，并发现自旋驰豫时间始终随着电场的增大而变长。此外，在低温而杂质浓度较高时，我们的计算得到了纳秒量级的自旋驰豫时间。
　　最后我们在第七章中通过数值求解多体动力学自旋Bloch方程，研究了在n型GaAs量子阱内T1，T2以及T*2。我们发现由于动量驰豫时间非常短，它们的数值在一个很广的温度、浓度、杂质浓度范围内都基本相同。

目录

声明

摘要

第1章 研究背景

1．1 自旋电子学简介

1．2 闪锌矿结构半导体的能带结构和自旋轨道耦合

1．2．1 体材料半导体的价带能带结构和k·p方法

1．2．2 有效哈密顿量

1．2．3 由SIA和BIA贡献的自旋轨道耦合

1．3 自旋弛豫机制

第2章 p型量子点中的空穴自旋弛豫

2．1 引言

2．2 理论模型

2．2．1 哈密顿量

2．2．2 空穴本征波函数和本征能量

2．2．3 跃迁几率和自旋弛豫时间

2．3 结果分析

2．3．1 约束在(001)生长方向量子阱内的量子点

2．3．2 约束在(111)生长方向量子阱内的量子点

2．3．3 自旋弛豫时间随阱宽的变化关系

2．4 小结

第3章 p型GaAs量子线中的空穴自旋弛豫

3．1 引言

3．2 理论模型

3．3 数值结果

3．3．1 自旋弛豫机制

3．3．2 自旋弛豫时间对量子线宽度的依赖关系

3．3．3 自旋弛豫时间对空穴浓度与温度的依赖关系

3．3．4 自旋弛豫时间对自旋极化的依赖关系

3．4 小结

第4章 n型InAs量子线中的电子自旋弛豫

4．1 引言

4．2 理论模型

4．3 数值结果

4．3．1 量子线线宽的影响

4．3．2 (110)和(111)量子线

4．3．3 杂质与温度的影响

4．4 小结

第5章 GaAs量子阱中的空穴自旋弛豫

5．1 引言

5．2 理论模型

5．3 结果分析

5．3．1 自旋信号的时间演化

5．3．2 自旋驰豫时间的温度依赖关系

5．3．3 散射对自旋弛豫的影响

5．3．4 对自旋弛豫时间的简单解析分析

5．3．5 库仑散射对自旋弛豫时间的影响

5．3．6 杂质浓度对自旋弛豫时间的影响

5．3．7 自旋弛豫时间对空穴浓度的依赖关系

5．4 小结

第6章 n型ZnO材料量子阱系统中的电子自旋弛豫

6．1 理论模型

6．2 数值结果

6．2．1 自旋弛豫时间对温度的依赖关系

6．2．2 自旋驰豫时间对电子浓度和量子阱阱宽的依赖关系

6．2．3 自旋驰豫时间对电场的依赖关系

6．3 小结

第7章 n型GaAs量子阱中电子自旋驰豫与自旋去相位

7．1 引言

7．2 理论模型

7．3 结果分析

第8章 总结

附录

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与研究报告