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

1、第一章中我們首先簡(jiǎn)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(xiàn)中對(duì)Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體中自旋弛豫和去相位的研究，包括實(shí)驗(yàn)和單體理論的研究。
　　 第三章中我們簡(jiǎn)要地介紹了動(dòng)力學(xué)自旋Bloch方程方法。
　　 第四章，我們?cè)敿?xì)地闡述對(duì)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(jī)制不重要；在n型和本征型

2、半導(dǎo)體中，由于從非簡(jiǎn)并區(qū)到簡(jiǎn)并區(qū)過渡，D'yakonov-Perel'自旋弛豫時(shí)間隨電子濃度的增大而先增大后減小，自旋弛豫時(shí)間在TF～T(TF是費(fèi)米溫度，T是體系溫度)附近出現(xiàn)一個(gè)峰；在仡型半導(dǎo)體中不同濃度下自旋弛豫時(shí)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(shí)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(shí)間隨溫度上升而單調(diào)變短；在高濃度下，自旋弛豫時(shí)間隨溫度的上升而延長(zhǎng)；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(jī)制不重要；當(dāng)電子系統(tǒng)或空穴系統(tǒng)處于簡(jiǎn)并區(qū)時(shí)，Pauli阻塞對(duì)Bir-Aronov-Pikus自旋弛豫有很強(qiáng)的抑制作用；本征型半導(dǎo)體中，小極化下，D'yakonov-Perel'機(jī)制導(dǎo)致的自旋弛豫時(shí)間隨溫度增大先增大后減小，出現(xiàn)一個(gè)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(shí)間隨溫

4、度升高先增大后減小，出現(xiàn)一個(gè)峰，峰的位置出現(xiàn)在電子的費(fèi)米溫度附近T～TF；D'yakonov-Perel'自旋弛豫時(shí)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(qiáng)電場(chǎng)導(dǎo)致電子自旋弛豫時(shí)間減小，且電子遷移率越高電場(chǎng)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(kuò)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(shí)驗(yàn)所證實(shí)[1-7]。
　　 第五章給出了我們和德國(guó)Regensburg大學(xué)Schüller實(shí)驗(yàn)組合作對(duì)(001)GaAs量子阱中自旋弛豫的各向異性的研究。實(shí)驗(yàn)組測(cè)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(chǎng)顯著地調(diào)節(jié)。特別地，當(dāng)磁場(chǎng)沿[110]方向時(shí)，自旋

6、弛豫時(shí)間在B=0.2 T處出現(xiàn)了一個(gè)谷；而當(dāng)磁場(chǎng)沿[110]方向時(shí)，自旋弛豫時(shí)間在B=0.5 T處出現(xiàn)了一個(gè)峰。所觀測(cè)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(dòng)力學(xué)自旋Bloch方程的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合得很好。我們對(duì)其中的物理進(jìn)行了解釋。進(jìn)一步地，我們預(yù)言該樣品中[110]方向的自旋弛豫時(shí)間可以達(dá)到幾個(gè)納秒，比[110]方向的自旋弛豫時(shí)間大兩個(gè)量級(jí)以上。以上發(fā)現(xiàn)對(duì)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(dòng)力學(xué)自旋Bloch方程方法對(duì)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(duì)于仡型GaMnAs量子阱，我們發(fā)現(xiàn)，自旋弛豫完全由D'yakonov-Perel'機(jī)制占主導(dǎo)。一個(gè)顯著的結(jié)果是，我們發(fā)現(xiàn)自旋弛豫時(shí)間隨Mn的參雜濃度的變化出現(xiàn)了一個(gè)峰。這個(gè)峰是由于電子系統(tǒng)處于簡(jiǎn)并區(qū)和非簡(jiǎn)并區(qū)時(shí)動(dòng)量散射

8、和自旋進(jìn)動(dòng)的非均勻擴(kuò)展隨Mn的參雜濃度的變化不同而導(dǎo)致自旋弛豫時(shí)間隨Mn的參雜濃度變化的趨勢(shì)不同。有趣的是，在p型GaMnAs量子阱中自旋弛豫時(shí)間隨Mn的參雜變化也有一個(gè)峰。這是D'yakonovPerel'自旋弛豫機(jī)制和s-d、Elliott-Yafet和Bir-Aronov-Pikus機(jī)制競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。我們計(jì)算得到的自旋弛豫時(shí)間的峰的位置和Awschalom實(shí)驗(yàn)組實(shí)驗(yàn)測(cè)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(jī)制。這為理論和實(shí)驗(yàn)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(chǎng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果一致[8-11]。
　　 在第七章我們介紹含時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)和處理含時(shí)系統(tǒng)的理論方法。此章為我們對(duì)強(qiáng)THz場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下的自旋動(dòng)力學(xué)的研究提供一個(gè)背景和相關(guān)理論的介紹。我們首先簡(jiǎn)要介紹了凝聚態(tài)物理中的含時(shí)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。我們還介紹強(qiáng)THz電磁場(chǎng)相關(guān)的技術(shù)和物理，簡(jiǎn)要回顧了強(qiáng)THz場(chǎng)對(duì)半導(dǎo)體光學(xué)性質(zhì)和輸

10、運(yùn)性質(zhì)的影響。然后我們回顧了無耗散下的含時(shí)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)，介紹了求解含時(shí)Schr(o)dinger方程的Floquet-Fourier方法，簡(jiǎn)要討論了Floquet波函數(shù)的性質(zhì)。然后我們介紹了處理含時(shí)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)耗散動(dòng)力學(xué)的Floquet-Markov理論。
　　 在第八章闡述我們對(duì)強(qiáng)THz場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的量子點(diǎn)中單個(gè)電子的自旋動(dòng)力學(xué)的研究。我們首先得到強(qiáng)THz場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下Schr(o)dinger方程的嚴(yán)格解，并研究了強(qiáng)THz對(duì)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(shí)，強(qiáng)THz電場(chǎng)可以操控電子自旋，并在量子點(diǎn)中誘導(dǎo)出自旋極化，同時(shí)對(duì)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(qiáng)THz場(chǎng)能極大的影響自旋弛豫。特別地，在強(qiáng)THz磁場(chǎng)下，sideband效應(yīng)強(qiáng)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(shí)間。
　　 第九章給出我們對(duì)強(qiáng)THz場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下的多電子系統(tǒng)的自旋動(dòng)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(qiáng)THz場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下量子阱中二維電子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)自旋Bloch方程。在該方程中，我們對(duì)THz場(chǎng)進(jìn)行了非微擾的處理，在散射中包含了sideband效應(yīng)，并在對(duì)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(kuò)展到任意的強(qiáng)周期場(chǎng)驅(qū)動(dòng)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(dòng)力學(xué)自旋Bloch方程，我們研究了強(qiáng)THz場(chǎng)對(duì)InAs量子阱中二維電子系統(tǒng)的自旋動(dòng)力學(xué)的影響。其中，我們主要討論了THz場(chǎng)產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)自旋極化和THz場(chǎng)對(duì)自旋弛豫的影響。我們發(fā)現(xiàn)THz場(chǎng)誘導(dǎo)出一個(gè)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(shí)候最早預(yù)言的[12]，我們發(fā)現(xiàn)在耗散存在時(shí)它仍然不為零，而且它的值可以達(dá)到很大(例如，7％)。這表明強(qiáng)THz場(chǎng)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(chǎng)誘導(dǎo)的。它包含兩個(gè)部分的貢獻(xiàn)，一個(gè)直接來自自旋軌道耦合，另一個(gè)來自THz場(chǎng)產(chǎn)生的電流和自旋軌道耦合的合作效應(yīng)。由于我們對(duì)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(duì)散射做旋波近似下是不會(huì)出現(xiàn)的。第一個(gè)特征是，穩(wěn)態(tài)自旋極化總是相對(duì)于激發(fā)它的有效磁場(chǎng)有一個(gè)推遲。另外一個(gè)特征是，THz場(chǎng)導(dǎo)致的電流會(huì)產(chǎn)生一個(gè)有效磁場(chǎng)。我們發(fā)現(xiàn)，在對(duì)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(chǎng)間沒有推遲。此外，更

15、重要的是，在對(duì)散射做旋波近似下，散射會(huì)保持κx→-κx對(duì)稱性，從而無法得到THz場(chǎng)導(dǎo)致的電流。我們研究了穩(wěn)態(tài)自旋極化幅度隨THz場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)和頻率的變化。我們發(fā)現(xiàn)THz場(chǎng)對(duì)自旋動(dòng)力學(xué)的兩個(gè)主要的影響是：(1)熱電子效應(yīng)和(2)THz場(chǎng)導(dǎo)致的有效磁場(chǎng)。這兩個(gè)效應(yīng)都隨THz場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)的增大或頻率的減小而增強(qiáng)。其中THz場(chǎng)導(dǎo)致的有效磁場(chǎng)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(chǎng)導(dǎo)致的有效磁場(chǎng)隨THz場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)的增大或頻率的減小而增強(qiáng)，穩(wěn)態(tài)自

16、旋極化的幅度因而增大。但是在THz場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)較大或頻率較小時(shí)，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(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)的增大或頻率的減小而下降。我們發(fā)現(xiàn)強(qiáng)THz場(chǎng)對(duì)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(chǎng)導(dǎo)致的有效磁場(chǎng)。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(chǎng)導(dǎo)致的有效磁場(chǎng)相互競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致自旋弛豫時(shí)間隨THz場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)的增強(qiáng)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(shí)

17、，熱電子效應(yīng)得到增強(qiáng)完全超過了THz場(chǎng)導(dǎo)致的有效磁場(chǎng)的影響，使得自旋弛豫時(shí)間隨THz場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)的增強(qiáng)或頻率的減小而單調(diào)地減小。
　　 第十章詳細(xì)地回顧了我們基于運(yùn)動(dòng)方程方法對(duì)GaAs量子點(diǎn)中各種機(jī)制導(dǎo)致的自旋弛豫時(shí)間和自旋去相位時(shí)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(jī)制、直接的自旋—聲子耦合機(jī)制、聲子導(dǎo)致的g因子漲落機(jī)制、超精細(xì)相互作用機(jī)制以及超精細(xì)相互作用和電子—聲子相互作用的共同作用機(jī)制。我們

18、在各種條件下比較了這些機(jī)制對(duì)自旋弛豫和自旋去相位的貢獻(xiàn)。研究了它們隨各種物理?xiàng)l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(diǎn)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(jī)制的影響的，各個(gè)機(jī)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(jī)制都很重要。我們的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)符合得很好[13]。我們還給出了費(fèi)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(shí)間隨溫度變化的規(guī)律已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)[14]。我們的研究對(duì)于理解GaA