一种基于电子自旋弛豫的纯电子多体效应的光学测试方法

摘要

发明了一种基于声光光弹调制器(PEM)的电子多体效应光学测试方法，组合PEM与时间分辨泵浦‑探针装置，实验装置原理如摘要附图所示。设置PEM(4)在λ/4工作模式，它调制泵浦光(2)的圆偏振度随时间周期变化；受调制的泵浦光(2)激发样品，产生电子自旋极化度随时间周期变化；线偏振探针光(3)透过样品激发点后，其透射光强受到调制，随时间周期变化；其调制幅度正反映了电子多体效应的贡献。当用PEM控制器(5)的2f输出口信号作为锁相放大器(10)的参考信号时，探针光透射强度调制幅度能够被测量。采样调制幅度随泵浦‑探针延迟时间变化动力学信号，并用发展的理论模型拟合此动力学信号，则能获取电子多体效应对电子‑空穴多体效应贡献的占比系数k。

说明书

技术领域

本发明涉及一种纯电子的多体效应的光学测试方法。其特点是利用声光光弹调制器(PEM)动态调制泵浦光的偏振态，产生圆偏振态与线偏振态周期变化的泵浦光，激发半导体薄膜样品，产生电子自旋极化与非极化态周期变化。利用线偏振探针光直接测试电子自旋极化与非极化态感应的探针光瞬态透射差，进而推算电子的多体效应。此发明在半导体中电子多体效应实验研究领域具有重要应用价值。

背景技术

半导体基础科学研究中已经知道，当光激发半导体，在导带和价带中分别产生大量的电子和空穴时，由于库仑作用，会改变晶格势场，进而导致半导体带隙收缩，即所谓的多体效应。理论上已经知道，当激发的电子与空穴浓度均为n时，多体效应引起的带隙收缩量ΔE_g为，

式中e，ε₀和ε_s分别为电子电荷，真空介电常数和相对介电常数。

然而，近年来，随着自旋电子学的发展，电子自旋极化出现在导带中，导致在满足光学跃迁选择定则的某一对自旋导带-价带中电子和空穴的浓度不相等。这时候就需要分别考虑电子多体效应和空穴多体效应分别对带隙收缩的贡献。当电子浓度n和空穴浓度p不相等时，描述带隙收缩的方程(1)修改为，

关键问题是系数k目前不知道是多少。有理论文献预测k＝0.57，但至今没有获得实验测量的检验，因为没有发现有效的实验测试方法。本发明正是要报道一种新的实验测试方法，可用于实验测试电子多体效应在电子-空穴多体效应中的占比系数k。

发明内容

光激发电子-空穴对会同时导致电子与空穴的多体效应和电子-空穴的带填充效应。要测量电子的多体效应，就必须设法消除空穴的多体效应和电子-空穴的带填充效应，因为电子-空穴的带填充效应很强，淹没了多体效应。本发明发展了一种简单的电子多体效应光学测试方法。它组合一个声光光弹调制器(PEM，商业化产品)与传统的泵浦-探针实验装置。换句话讲，只需要在传统的泵浦-探针实验装置中增加一个PEM，即可能实现电子多体效应的测量。实验装置原理如图1所示。图中4即为PEM。显然，此装置极为简单，只有线偏振泵浦光2和探针光3各一束。

本发明的测试原理如图1所示。其关键特征在于引入PEM器件4，并设置PEM工作在1/4波长模式，而探针光3为线偏振态。同时，用PEM的调制频率的2倍频信号同步锁相放大器10，测量光电探测器9输出信号的微弱变化。

图1所示，传统的时间分辨泵浦-探针装置1输出线偏振泵浦光脉冲序列2和探针光脉冲序列3。泵浦脉冲序列2的强度恒定，如图2中水平线1所示。它通过PEM(4)后，其偏振态被调制为左右旋圆偏振态周期变化的，如图2中虚线曲线2所示。这种圆偏振态周期变化的泵浦光脉冲序列2通过透镜6后，被聚焦在样品7上。由于半导体光激发跃迁的选择定择，圆偏振态会在半导体导带中激发起自旋极化(不平衡)电子布居，而线偏振态则激发自旋平衡电子布居。因而，圆偏振周期变化的泵浦光2会在样品7中激发起电子自旋极化和非极化周期变化态。线偏振探针3通过样品7上泵浦激发点后，其透射光强就会受到周期调制，如图2中曲线3所示。波峰点对应于电子自旋极化最大态(对应于左右旋圆偏振态激发)，波谷点对应于电子自旋平衡态(对应于线偏振态激发，曲线2中过零点)。显然，探针脉冲序列3的透射强度的调制频率是泵浦光3的左右旋圆偏振调制频率的2倍，如图2中曲线2和3所示。这是因为泵浦光的左右旋圆偏振态激发相同的电子自旋极化度，并且左旋→右旋→左旋一个周期变化中两次过线偏振态，结果导致探针光束2的透射变化调制频率加倍。为了检测探针光束2的透射变化调制幅度，需要使用PEM控制器5上的2f口输出信号作为锁相放大器10的参考信号。

上述方法测试到的探针光束2的透射变化正是反映了泵浦光激发电子的多体效应的贡献，因为线偏振态和圆偏振态泵浦光的光强度是一样的，因而激发的总电子浓度是一样的，所以两者激发的带填充效应是一致的，对探针光2的透射强度调制几乎一致，即对探测信号没有贡献，因而，电子-空穴的带填充效应被抑制。另一方面，空穴的自旋弛豫非常快，通常在几皮秒时间尺度以内，所以，几皮秒泵浦-探针延迟时间后的动力学信号，可以认为圆偏振泵浦光激发的空穴自旋极化已完全退极化，与线偏振态泵浦光激发的空穴自旋平衡一样。换句话讲，圆偏振态与线偏振态泵浦光激发的空穴多体效应在几个皮秒延迟时间后是一样的，所以，泵浦光激发空穴的多体效应对探针光束2的透射强度调制幅度贡献可忽略。剩下的唯一效应就是圆偏振态与线偏振态泵浦光分别激发的自旋极化电子与自旋平衡电子的多体效应不同，导致它们对探针光束2的透射变化的调制差别，即图2中曲线3所示的强度振荡。这种振荡直到电子自旋弛豫结束才会消失。

附图说明

图1基于电子自旋弛豫的电子多体效应实验测试原理图

图2泵浦光圆偏振态声光调制和探针光透射强度调制原理图

图3 GaAs半导体中电子多体效应的弛豫动力学

图1中，1为传统的时间分辨泵浦-探针装置，包括飞秒脉冲激光器，非共线双臂干涉仪和光学延迟线；2和3分别为来自1中双臂干涉仪两个臂的光束，2强于3，故作为泵浦光，而3较弱，作为探测光，两者均为线偏振态；4为声光光弹调制器PEM，5为PEM的驱动电源和控制器，它们实现对3的偏振态调制。6为聚焦透镜，将2和3聚焦到7上同一点；7为待测样品；8为光强衰减片，9为光电探测器；通过8控制入射进9的光强，使9不要饱和；光电探测器9测量探针光3透过样品7后的透射光强调制变化幅度；10为锁相放大器，其参考信号来自PEM控制器5的2f口输出信号，测量光电探测器9输出信号的调制幅度。

图2中，1为水平直线，表示泵浦光强随时间不变化；2为正弦波形，表示泵浦光通过PEM后变为左右旋圆偏振光，圆偏振度在1和-1之间周期变化；3为探针光透过样品后的强度随时间调制变化或光电探测器输出波形，它的变化频率是泵浦光圆偏振度调制频率的2倍。

图3中，曲线1(空心圆)表示实验测量的GaAs薄膜的电子多体效应动力学曲线；曲线2(实线)表示理论模型对实验结果的最佳拟合。

具体实施方式

依据上述原理，本发明已具体实施了GaAs半导体中电子多体效应对电子-空穴多体效应的贡献占比系数测量。

GaAs薄膜样品0.5μm厚，吸附在宝石窗片上，放入图1中样品(7)位置处。飞秒激光中心波长调谐到850nm。PEM(4)设置在工作波长850nm，调制模式1/4波长。转动PEM的方位角，使其快慢轴与泵浦光脉冲的线偏振方向成45度角，导致泵浦光透过PEM后变为左右旋圆偏振调制的光；用同轴电缆连接PEM控制器5的2f输出口与锁相放大器10的参考信号口；调节衰减片8，使光电探测器9不饱和。扫描泵浦-探针延迟时间，并同步采样锁相放大器(10)的输出信号与泵浦-探针延迟时间，获得图3中曲线1所示的动力学曲线。

为了从测量的动力学曲线1获取GaAs中电子多体效应对电子-空穴多体效应贡献的占比系数k，需要发展描述电子多体效应的理论模型。

依据III-V半导体物理理论，实验探测到的电子多体效应可以由如下理论模型描述，

式中α^σ表示圆偏振泵浦激发时的样品吸收系数，α^-表示线偏振泵浦激发时的吸收系数表示圆偏振泵浦激发的电子-空穴多体效应感应的吸收系数变化，表示线偏振泵浦激发的电子-空穴多体效应感应的吸收系数变化；C为实验与理论之间的比例常数；E为探针光子能量；Δ＝0.341eV，是自旋-轨道分裂能；其它符号的表达式如下：

式中N₀为泵浦光脉冲激发的总电子-空穴对浓度；电子有效质量m_e＝0.066，轻空穴有效质量m_l，h＝0.084；重空穴有效质量m_h，h＝0.45；为GaAs的室温带隙；e是自由电子电荷；ε₀是真空介电常数，ε_S＝13.1是GaAs的室温相对介电常数。

将方程(4)-(10)代入方程(3)，并用(3)最优化拟合图3中实验曲线1，获得的最优化拟合曲线如图3中实线2所示。显然拟合与实验非常相符。最优化拟合给出参数τ_s＝572.5ps，τ_r＝675.6ps，k＝0.62。到此，我们第一次实验测试了电子多体效应对电子-空穴多体效应的贡献占比系数k＝0.62，略大于理论预测的k＝0.57。

利用本发明测试方法能够进一步深入研究占比系数k是否随激发浓度、探针光子能量、温度、电场、磁场和应力等参数的变化以及其它半导体中电子多体效应占比系数。