Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體及其納米結(jié)構(gòu)中的自旋動力學(xué).pdf

1、第一章中我們首先簡要地介紹半導(dǎo)體自旋電子學(xué)的背景。
　　 第二章我們回顧了以往文獻中對Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體中自旋弛豫和去相位的研究，包括實驗和單體理論的研究。
　　 第三章中我們簡要地介紹了動力學(xué)自旋Bloch方程方法。
　　 第四章，我們詳細地闡述對體材料Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體中的電子自旋弛豫的系統(tǒng)研究。我們得到了如下重要的結(jié)論：在n型、本征型和大部分的p型Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體中Elliott-Yafet機制不重要；在n型和本征型

2、半導(dǎo)體中，由于從非簡并區(qū)到簡并區(qū)過渡，D'yakonov-Perel'自旋弛豫時間隨電子濃度的增大而先增大后減小，自旋弛豫時間在TF～T(TF是費米溫度，T是體系溫度)附近出現(xiàn)一個峰；在仡型半導(dǎo)體中不同濃度下自旋弛豫時間隨溫度的變化不一樣：在低濃度下施加應(yīng)變的情形下自旋弛豫時間可能出現(xiàn)非單調(diào)的溫度變化，而在無應(yīng)變的情形下自旋弛豫時間隨溫度上升而單調(diào)變短；在高濃度下，自旋弛豫時間隨溫度的上升而延長；在常見的一些Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體如GaAs、G

3、aSb和InSb等的本征型體材料中，Bir-Aronov-Pikus機制不重要；當(dāng)電子系統(tǒng)或空穴系統(tǒng)處于簡并區(qū)時，Pauli阻塞對Bir-Aronov-Pikus自旋弛豫有很強的抑制作用；本征型半導(dǎo)體中，小極化下，D'yakonov-Perel'機制導(dǎo)致的自旋弛豫時間隨溫度增大先增大后減小，出現(xiàn)一個峰，峰的位置出現(xiàn)在T≈TF/3附近；在p型Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體中，在高激發(fā)濃度下，由于屏蔽的作用，D'yakonov-Perel'自旋弛豫時間隨溫

4、度升高先增大后減小，出現(xiàn)一個峰，峰的位置出現(xiàn)在電子的費米溫度附近T～TF；D'yakonov-Perel'自旋弛豫時間則隨空穴濃度的增大出現(xiàn)先增大后減小再增大的奇特行為；最后，在n型半導(dǎo)體中，強電場導(dǎo)致電子自旋弛豫時間減小，且電子遷移率越高電場的影響越大。我們透徹地闡釋了以上現(xiàn)象背后的物理，并揭示出庫侖散射在自旋弛豫中所扮演的重要角色。盡管我們的研究集中在閃鋅礦結(jié)構(gòu)的Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體中，我們得到的上述結(jié)論中有很多是普適性的。它們可以擴展到

5、非閃鋅礦結(jié)構(gòu)、Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體，甚至是其它的結(jié)構(gòu)類似的半導(dǎo)體，低維納米體系等等。特別值得一提的是，我們的一些預(yù)言已經(jīng)被最近的一些實驗所證實[1-7]。
　　 第五章給出了我們和德國Regensburg大學(xué)Schüller實驗組合作對(001)GaAs量子阱中自旋弛豫的各向異性的研究。實驗組測量了低溫下高遷移率的GaAs量子阱中自旋弛豫的磁各向異性。發(fā)現(xiàn)自旋弛豫的各向異性可以通過磁場顯著地調(diào)節(jié)。特別地，當(dāng)磁場沿[110]方向時，自旋

6、弛豫時間在B=0.2 T處出現(xiàn)了一個谷；而當(dāng)磁場沿[110]方向時，自旋弛豫時間在B=0.5 T處出現(xiàn)了一個峰。所觀測到的現(xiàn)象無法用原來的單體理論解釋。我們通過基于全微觀的動力學(xué)自旋Bloch方程的計算和實驗結(jié)果符合得很好。我們對其中的物理進行了解釋。進一步地，我們預(yù)言該樣品中[110]方向的自旋弛豫時間可以達到幾個納秒，比[110]方向的自旋弛豫時間大兩個量級以上。以上發(fā)現(xiàn)對半導(dǎo)體自旋電子學(xué)中調(diào)控自旋弛豫具有很大的意義。
　　

7、 第六章回顧我們基于全微觀的動力學(xué)自旋Bloch方程方法對稀磁半導(dǎo)體順磁性GaMnAs量子阱中的電子自旋弛豫的研究。我們既研究了Mn占據(jù)填隙位置的n型GaMnAs量子阱，也研究了Mn主要替換Ga的p型GaMnAs量子阱。對于仡型GaMnAs量子阱，我們發(fā)現(xiàn)，自旋弛豫完全由D'yakonov-Perel'機制占主導(dǎo)。一個顯著的結(jié)果是，我們發(fā)現(xiàn)自旋弛豫時間隨Mn的參雜濃度的變化出現(xiàn)了一個峰。這個峰是由于電子系統(tǒng)處于簡并區(qū)和非簡并區(qū)時動量散射

8、和自旋進動的非均勻擴展隨Mn的參雜濃度的變化不同而導(dǎo)致自旋弛豫時間隨Mn的參雜濃度變化的趨勢不同。有趣的是，在p型GaMnAs量子阱中自旋弛豫時間隨Mn的參雜變化也有一個峰。這是D'yakonovPerel'自旋弛豫機制和s-d、Elliott-Yafet和Bir-Aronov-Pikus機制競爭的結(jié)果。我們計算得到的自旋弛豫時間的峰的位置和Awschalom實驗組實驗測量[8]得到的很一致。另外，我們還確定了各種條件下占主導(dǎo)的自旋弛豫

9、機制。這為理論和實驗研究提供了有用的信息。我們還系統(tǒng)地研究了各種溫度、光激發(fā)濃度、磁場下的自旋弛豫，給出了其背后的物理。我們得到的結(jié)論和實驗結(jié)果一致[8-11]。
　　 在第七章我們介紹含時系統(tǒng)的動力學(xué)和處理含時系統(tǒng)的理論方法。此章為我們對強THz場驅(qū)動下的自旋動力學(xué)的研究提供一個背景和相關(guān)理論的介紹。我們首先簡要介紹了凝聚態(tài)物理中的含時驅(qū)動系統(tǒng)。我們還介紹強THz電磁場相關(guān)的技術(shù)和物理，簡要回顧了強THz場對半導(dǎo)體光學(xué)性質(zhì)和輸

10、運性質(zhì)的影響。然后我們回顧了無耗散下的含時驅(qū)動系統(tǒng)的動力學(xué)，介紹了求解含時Schr(o)dinger方程的Floquet-Fourier方法，簡要討論了Floquet波函數(shù)的性質(zhì)。然后我們介紹了處理含時驅(qū)動系統(tǒng)耗散動力學(xué)的Floquet-Markov理論。
　　 在第八章闡述我們對強THz場驅(qū)動的量子點中單個電子的自旋動力學(xué)的研究。我們首先得到強THz場驅(qū)動下Schr(o)dinger方程的嚴(yán)格解，并研究了強THz對電子態(tài)密度的

11、影響。我們發(fā)現(xiàn)在自旋軌道耦合存在時，強THz電場可以操控電子自旋，并在量子點中誘導(dǎo)出自旋極化，同時對電子態(tài)密度有很大的影響。在此基礎(chǔ)上，我們考慮耗散，加入導(dǎo)致自旋弛豫的電子—聲子散射。我們的研究結(jié)果表明，強THz場能極大的影響自旋弛豫。特別地，在強THz磁場下，sideband效應(yīng)強烈地調(diào)制了自旋翻轉(zhuǎn)的電子—聲子散射的速率，極大地改變了自旋弛豫時間。
　　 第九章給出我們對強THz場驅(qū)動下的多電子系統(tǒng)的自旋動力學(xué)的研究?？紤]的是

12、InAs量子阱中的二維電子系統(tǒng)。通過Floquet-Markov理論和非平衡Green函數(shù)方法，首先建立了強THz場驅(qū)動下量子阱中二維電子系統(tǒng)的動力學(xué)自旋Bloch方程。在該方程中，我們對THz場進行了非微擾的處理，在散射中包含了sideband效應(yīng)，并在對散射的處理上超越了旋波近似。我們包含了所有相關(guān)的散射：電子—雜質(zhì)、電子—聲子和電子—電子散射。我們的方法具有很大的普遍性，可以擴展到任意的強周期場驅(qū)動下具有任意自旋軌道耦合的多載流子

13、系統(tǒng)。通過數(shù)值求解動力學(xué)自旋Bloch方程，我們研究了強THz場對InAs量子阱中二維電子系統(tǒng)的自旋動力學(xué)的影響。其中，我們主要討論了THz場產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)自旋極化和THz場對自旋弛豫的影響。我們發(fā)現(xiàn)THz場誘導(dǎo)出一個穩(wěn)態(tài)的自旋極化。盡管這極化是Cheng和Wu在沒有考慮耗散的時候最早預(yù)言的[12]，我們發(fā)現(xiàn)在耗散存在時它仍然不為零，而且它的值可以達到很大(例如，7％)。這表明強THz場是產(chǎn)生自旋極化的很有效的手段。我們的研究表明穩(wěn)態(tài)自旋極

14、化是由THz導(dǎo)致的有效磁場誘導(dǎo)的。它包含兩個部分的貢獻，一個直接來自自旋軌道耦合，另一個來自THz場產(chǎn)生的電流和自旋軌道耦合的合作效應(yīng)。由于我們對散射的處理超越了旋波近似，我們發(fā)現(xiàn)了很多有趣的特征，這些特征在對散射做旋波近似下是不會出現(xiàn)的。第一個特征是，穩(wěn)態(tài)自旋極化總是相對于激發(fā)它的有效磁場有一個推遲。另外一個特征是，THz場導(dǎo)致的電流會產(chǎn)生一個有效磁場。我們發(fā)現(xiàn)，在對散射做旋波近似下，穩(wěn)態(tài)自旋極化和激發(fā)它的有效磁場間沒有推遲。此外，更

15、重要的是，在對散射做旋波近似下，散射會保持κx→-κx對稱性，從而無法得到THz場導(dǎo)致的電流。我們研究了穩(wěn)態(tài)自旋極化幅度隨THz場的場強和頻率的變化。我們發(fā)現(xiàn)THz場對自旋動力學(xué)的兩個主要的影響是：(1)熱電子效應(yīng)和(2)THz場導(dǎo)致的有效磁場。這兩個效應(yīng)都隨THz場的場強的增大或頻率的減小而增強。其中THz場導(dǎo)致的有效磁場是誘導(dǎo)出電子系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)自旋極化的物理根源。由于THz場導(dǎo)致的有效磁場隨THz場的場強的增大或頻率的減小而增強，穩(wěn)態(tài)自

16、旋極化的幅度因而增大。但是在THz場的場強較大或頻率較小時，熱電子效應(yīng)導(dǎo)致電子溫度顯著地升高，從而導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)自旋極化隨THz場的場強的增大或頻率的減小而下降。我們發(fā)現(xiàn)強THz場對自旋弛豫也有很大的影響。它的影響也來自上面所說的(1)熱電子效應(yīng)和(2)THz場導(dǎo)致的有效磁場。我們發(fā)現(xiàn)，在雜質(zhì)濃度很小的情況下，熱電子效應(yīng)和THz場導(dǎo)致的有效磁場相互競爭，導(dǎo)致自旋弛豫時間隨THz場的場強的增強或頻率的減小出現(xiàn)先增大再減小的結(jié)果。在雜質(zhì)濃度較大時

17、，熱電子效應(yīng)得到增強完全超過了THz場導(dǎo)致的有效磁場的影響，使得自旋弛豫時間隨THz場的場強的增強或頻率的減小而單調(diào)地減小。
　　 第十章詳細地回顧了我們基于運動方程方法對GaAs量子點中各種機制導(dǎo)致的自旋弛豫時間和自旋去相位時間的系統(tǒng)研究。在此研究中我們考慮了自旋軌道耦合和電子—聲子散射共同作用機制、直接的自旋—聲子耦合機制、聲子導(dǎo)致的g因子漲落機制、超精細相互作用機制以及超精細相互作用和電子—聲子相互作用的共同作用機制。我們

18、在各種條件下比較了這些機制對自旋弛豫和自旋去相位的貢獻。研究了它們隨各種物理條件變化的規(guī)律并揭示了其中的物理。我們發(fā)現(xiàn)GaAs量子點中的自旋弛豫和自旋去相位不是受到單一的自旋退相干機制的影響的，各個機制主導(dǎo)自旋弛豫和去相位的范圍不一樣。在某些情況下，有可能幾種機制都很重要。我們的計算和實驗符合得很好[13]。我們還給出了費米黃金規(guī)則方法的適用范圍。我們發(fā)現(xiàn)的自旋去相位時間隨溫度變化的規(guī)律已經(jīng)被實驗所證實[14]。我們的研究對于理解GaA