GaAs及其量子阱中電子自旋極化、相干與弛豫動力學研究.pdf

1、自旋電子學主要研究如何在固體中有效的控制電子的自旋自由度，希望利用自旋自由度取代或結合傳統(tǒng)電子器件中的電荷自由度，從而實現新型的自旋電子學器件來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電子器件。然而，真正利用半導體的自旋自由度實現自旋電子器件還有很長的路要走。原因在于半導體自旋電子學中電子自旋的極化、探測、弛豫和輸運等基本問題尚需進一步的深入研究。近年來，超短激光脈沖技術的發(fā)展為人們研究光與物質相互作用的微觀過程提供了高的時間分辨工具，本文利用該技術圍繞自旋電子學的

2、自旋極化、相干及弛豫等基本問題進行了研究，具體如下： 第一，研究了常溫與低溫下本征GaAs導帶中各能級帶填充效應和帶隙重整化效應的相互競爭，發(fā)現帶底附近有明顯的飽和吸收現象，然而高過超能量態(tài)帶隙重整化效應強于帶填充相應，出現吸收增強現象，并且能量越高吸收增強現象越明顯。理論模擬結果和實驗結果很好的符合。 第二，發(fā)展了高過超能量態(tài)圓偏振光抽運-探測光譜的理論模型。理論上給出了導帶中非簡并二能級系統(tǒng)的電子自旋極化度定義。發(fā)現

3、實驗量子拍的振幅不僅僅依賴于電子初始自旋極化度，而是依賴于電子初始自旋極化度與自旋探測靈敏度及帶填充因子三者的乘積。基于此模型的模擬計算表明導帶底的電子初始自旋極化度僅約10％，但電子初始自旋極化度隨電子過超能量單調快速遞增。當過超能量僅大于30 meV時，電子初始自旋極化度即可達100％，表明GaAs基自旋電子器件應該工作在較高的過超能量態(tài)。 第三，研究了電子自旋相干和電子弛豫動力學的能量演化。計算表明量子拍相位在1.56eV

4、處翻轉1800的現象起源于輕空穴價帶-導帶躍遷強度超過重空穴價帶—導帶躍遷強度。發(fā)現從重空穴價帶—導帶躍遷探測到的電子g因子與從輕空穴價帶—導帶躍遷探測到的電子g因子隨過超能量服從不同的線性關系，從而說明kp理論的不完善性。發(fā)現自旋極化對電子弛豫動力學具有顯著的影響。僅在導帶底附近測量時，利用時間分辨圓偏振光和線偏振光抽運—探測光譜測試到的電子壽命一致，而在高過超能量電子態(tài)測量時，兩種方法測試到的電子壽命不一致。 第四，研究了G

5、aAs及其量子阱中電子自旋極化度和弛豫時間的濃度依賴。在GaAs量子阱的研究中發(fā)現，強散射極限下，載流子濃度比較低，DP項的一次方項起主要作用，由于散射對非均勻擴展的抑制增強，自旋弛豫時間增大。然而，當載流子濃度足夠大時，DP項的三次方項起主要作用，由于非均勻擴展和BAP機制的增強，自旋弛豫時間隨載流子濃度的增大而減小。發(fā)現體GaAs導帶底附近電子初始自旋極化度小于通常認為的0.5，并且電子初始自旋極化度和自旋弛豫時間均隨光注入載流子濃