砷化鎵及其量子阱中電子自旋擴散動力學(xué)研究.pdf

1、自從巨磁電阻效應(yīng)(GMR)被發(fā)現(xiàn)以來，電子自旋研究成了國際上一個新的研究熱點，逐漸形成了一個新的學(xué)科-自旋電子學(xué)(Spintronics)。為了發(fā)展具有放大功能的自旋晶體管，實現(xiàn)自旋器件的集成制造并與傳統(tǒng)微電子器件的一體化集成，世界各國投入了大量的人力、物力對半導(dǎo)體自旋電子學(xué)領(lǐng)域開展了廣泛的研究，期待發(fā)展體積小、速度快、功耗小的新一代半導(dǎo)體自旋電子器件。半導(dǎo)體中電子自旋成為自旋電子學(xué)的研究重點。
　　 在實現(xiàn)半導(dǎo)體自旋電子器件的

2、諸多前提條件中，足夠的自旋輸運尺度是其中的重要條件之一。而自旋輸運尺度是由自旋弛豫時間、自旋擴散系數(shù)(D.)和自旋遷移率(μ3)所決定的，所以，研究測定自旋擴散系數(shù)和自旋遷移率的實驗方法，測定半導(dǎo)體材料自旋擴散系數(shù)和自旋遷移率，研究影響電子自旋擴散和自旋遷移率的各種因素，都具有潛在的理論意義和應(yīng)用價值。
　　 本文利用超快激光泵浦-探測試驗技術(shù)，以GaAs半導(dǎo)體及其量子阱中電子自旋擴散作為主要研究對象，探討電子自旋擴散的動力學(xué)過

3、程，研究自旋擴散系數(shù)的測量方法，測定GaAs半導(dǎo)體及其量子阱中自旋極化電子的擴散常數(shù)，分析自旋庫侖拖拽效應(yīng)、激發(fā)空穴等因素對半導(dǎo)體電子自旋擴散動力學(xué)過程的影響。具有創(chuàng)新性的主要成果如下:
　　 第一，利用自旋光柵衍射方法研究了量子阱中單帶電子自旋擴散的動力學(xué)過程，測定了室溫條件下本征GaAs多量子阱的電子自旋擴散系數(shù)，分析自旋光柵衍射信號弱、信噪比低的原因，提出進一步發(fā)展自旋光柵技術(shù)的迫切要求。
　　 第二，發(fā)展了自旋光

4、柵局部采樣圓二色飽和吸收光譜技術(shù)及其實驗原理。用聚焦的細(xì)圓偏振光束作為探測光束，探測由于自旋光柵退化所引起的圓二色飽和吸收信號的變化，導(dǎo)出了自旋光柵的圓二色飽和吸收衰減動力學(xué)的理論模型，并應(yīng)用此技術(shù)研究了n-GaAs在室溫下的電子自旋擴散輸運，測得電子自旋擴散系數(shù)D.約為201cm2/s。提出了利用瞬態(tài)自旋光柵的漂移實驗測量電子自旋遷移率的方案。
　　 第三，發(fā)展了探測光周期采樣的自旋光柵圓二色飽和吸收光譜技術(shù)及其實驗原理。這種

5、方法采用周期與自旋光柵相同、取向與自旋光柵平行且與自旋光柵緊密地相互靠近的透射光柵，當(dāng)透射光柵各透光狹縫正對自旋極化度極值時，分別用左旋圓偏振探測光和右旋圓偏振探測光探測自旋光柵極化度極值處的自旋向上和自旋向下電子濃度衰減過程，由此獲得有關(guān)自旋光柵衰退的信息。用這種方法研究了室溫條件下本征GaAs多量子阱的電子-空穴雙極擴散和電子自旋擴散得動力學(xué)過程，測量了本征GaAs多量子阱的雙極擴散系數(shù)和自旋擴散系數(shù)。
　　 第四，發(fā)展了一

6、種時-空分辨泵浦-探測光譜方法及其理論。泵浦和探測光束各自通過由完整聚焦透鏡平分而成的兩個半透鏡之一，聚焦于重疊的焦平面(樣品)上。使通過泵浦光束的半透鏡沿垂直于光束方向作高分辨掃描，則可實現(xiàn)探測光斑與泵浦光斑在焦平面上的高分辨線性掃描。首次將這一實驗技術(shù)應(yīng)用于本征GaAs星子阱中電子自旋雙極擴散輸運的實驗研究，測量了室溫下本征GaAs量子阱中的“自旋雙極擴散系數(shù)”Das，小于文獻報道的用自旋光柵方法測得的自旋擴散系數(shù)，顯示了空穴對電子

7、自旋波包的擴散輸運的影響。
　　 第五，發(fā)展了透射光柵調(diào)制泵浦-探測實驗技術(shù)及其實驗原理。在透射光柵緊密貼近待測樣品的條件下，利用通過透射光柵各狹縫的泵浦光和探測光對樣品上與狹縫正對區(qū)域進行泵浦-探測實驗。這種方法克服了傳統(tǒng)的空間分辨泵浦-探測實驗方法中高度聚焦和精密掃描所帶來的技術(shù)困難。建立了矩形脈沖分布的的自旋極化電子的擴散動力學(xué)理論模型。測定了本征GaAs體材料中電子的雙極擴散系數(shù)和自旋雙極擴散系數(shù)。
　　 總之，