受限半導體空穴系統中自旋馳豫的研究

受限半導體空穴系統中自旋馳豫的研究

作者:師大云端圖書館 時間:2015-11-09 分類:期刊論文 喜歡:1570
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【摘要】自旋電子學是用電子的自旋自由度來取代電荷自由度,并以之實現電子器件的功能的新興學科。從上個世紀8,90年代以來,半導體材料中電子自旋的性質不論是在實驗上還是理論上都有了很大的進展。在不同材料、不同結構和不同的條件下自旋的弛豫和去相位的機制也逐漸被人們所了解。然而雖然關于電子的自旋弛豫機制被廣泛地研究和討論,但關于在p型摻雜的半導體中空穴的自旋弛豫和去相位的研究相對而言卻比較少。空穴的自旋性質和電子情況有很大不同。譬如說,在體材料中,輕重空穴在r點的簡并使得空穴的自旋弛豫時間大致與動量的弛豫時間在同一個數量級(100fs左右),而在各種低維度的約束系統當中,輕重空穴在r點的簡并被解除,但是由于其遠比電子情況要大的軌道和自旋之間的耦合作用,其自旋的壽命仍然比電子自旋壽命要短很多。而對于以空穴為載體的自旋器件而言,對空穴的自旋性質的研究是其不可或缺的理論基礎。在本論文中,我們著重討論了在不同的納米結構中,閃鋅礦結構和纖鋅礦結構的半導體材料里空穴的自旋性質,以及其對各種環境條件的依賴關系。在第一章中我們首先回顧了閃鋅礦結構的半導體以及纖鋅礦結構的半導體的能帶結構,討論了自旋軌道耦合相互作用在固體中的來源以及表達式。我們仔細討論了在不同的受限體系中的自旋軌道耦合的形式和對能譜的影響,也回顧了在各種體系中自旋馳豫的實驗和理論進展。接著我們在不同的受限系統中就半導體自旋電子學中自旋馳豫性質尤其是在p型摻雜的半導體材料中的空穴自旋馳豫過程做了詳細的討論。第二章我們在量子點系統中,用完全對角化的方法研究了約束不同生長方向的GaAs量子阱中的量子點系統中空穴的自旋弛豫過程。我們發現對于約束在不同生長方向和不同阱寬量子阱中的量子點,其自旋弛豫時間有著不同的變化規律。并且其變化趨勢與量子點中電子的自旋弛豫相反。另外,與電子情況中自旋弛豫主要由壓電勢導致的聲子散射所貢獻不同的是,對于此種情況,空穴的自旋弛豫僅來自由形變勢所導致的空穴—聲子散射的貢獻。應力的作用也隨著生長方向的改變而改變,它可以被用來調控輕重空穴態能級的相對位置或者輕重空穴能級之間自旋混合的大小。另外在不同的生長方向和應力下,自旋弛豫時間對磁場的依賴關系也大不相同。我們還指出,和電子在量子點與量子阱的自旋弛豫性質相反的,空穴自旋弛豫時間一直都隨阱寬的增大而減小。在第三章里,我們考慮了在p型摻雜GaAs量子線系統中的空穴自旋弛豫過程。我們在Helix自旋空間中數值求解了動力學自旋Bloch方程并由此得到自旋弛豫時間。空穴情況與電子的情況不同,電子情況下其自旋軌道耦合較弱,因此collinear統計已足夠,而在這里空穴的自旋軌道耦合很強,因此必須使用Helix統計。并用這個方法,研究了量子線尺寸、空穴濃度、溫度以及初始自旋極化等等因素對自旋弛豫時間的影響。通過文中的分析可知,有三種機制會導致自旋弛豫:第一是自旋翻轉散射自己;第二是自旋守恒散射與非均勻擴展一同的作用;第三是自旋翻轉散射和非均勻擴展一同的作用。但單獨的自旋翻轉散射仍然是占據主導地位的自旋翻轉機制。由于自旋混合和空穴的能帶結構都密切地依賴于量子線的約束位形,因此量子線的位形和尺寸可以有效地影響自旋弛豫過程。通過對量子線尺寸的調制,可以使得自旋弛豫時間變化將近兩個數量級。同樣的,通過改變自旋混合的強度以及帶間自旋翻轉散射的強度,空穴的濃度和溫度也會影響自旋弛豫時間。另外我們還發現Hartree-Fock項會隨自旋極化的增大而變得重要并使得自旋弛豫過程變慢。在第四章中我們研究了電子在n型InAs量子線中的自旋馳豫過程。我們通過對多子帶的動力學自旋Bloch方程的數值求解得到在n型量子線中電子自旋隨著時間演化的過程,并求出其自旋弛豫時間。多子帶的加入使得我們可以研究更大線寬的量子線系統。我們發現調節量子線的線寬會改變自旋軌道耦合導致的有效磁場的大小和方向,從而進一步地會改變自旋馳豫時間。我們也考慮了不同生長方向下的自旋馳豫過程。我們指出,通過適當選取量子線的位型與初始極化方向,可以得到一個極長的自旋馳豫時間。更進一步地,我們仔細研究了不同的散射機制以及自旋軌道耦合在不同子帶間對自旋馳豫過程的影響。高子帶的占據被發現對自旋馳豫有非常大的影響。在第五章里,我們對量子阱系統中p型GaAs材料中小自旋極化下的空穴自旋馳豫過程做了一個系統的研究。在計算中我們包含了外磁場、DP自旋軌道耦合、所有的自旋守恒散射:空穴—聲子散射、空穴—空穴散射以及空穴—雜質散射。通過數值求解動力學方程,我們研究了空穴分布函數和自旋相干項的時間演化過程。通過這種方法,我們仔細研究了溫度、Rashba系數、雜質和空穴濃度等等因素對自旋馳豫過程的影響。我們比較了電子、輕空穴和重空穴的自旋馳豫過程。并發現電子的非均勻擴展相較于空穴而言要弱得多。因此,電子自旋馳豫時間的絕對大小要遠長于空穴。我們的計算也表明:電子—電子庫侖散射和電子—雜質散射都使得自旋馳豫時間變長。另外,我們指出重空穴的非均勻擴展要強于輕空穴。空穴自旋馳豫的許多性質都與量子阱中電子的自旋馳豫性質大不相同。然后在第六章里我們也研究了在n型參雜的生長方向為(0001)的ZnO量子阱中的電子自旋馳豫過程。在我們的計算過程中包括了所有的散射。我們通過計算發現在ZnO量子阱中,電子—聲子散射的貢獻很弱,而電子—電子庫侖散射始終都非常重要。因此ZnO量子阱是一個用來研究電子—電子散射的較好的系統。我們發現在雜質濃度較低時,自旋馳豫時間對于溫度的依賴關系上會出現一個峰值,另外,在低溫時自旋馳豫時間對電子濃度的依賴關系上也存在一個峰值。這兩個峰的出現都起源于庫侖散射的動量馳豫時間τeep對于溫度和電子濃度在簡并和非簡并這兩個不同的區域時的非單調依賴關系。與Ⅲ-Ⅴ族半導體中類似的效應相比較,由于在ZnO材料中的電子—聲子散射很弱,這里峰的位置可以高出許多,甚至可以出現在溫度為100K附近,因此這個峰更容易被實驗觀測到。我們也研究了在ZnO量子阱中的熱電子效應,并發現自旋馳豫時間始終隨著電場的增大而變長。此外,在低溫而雜質濃度較高時,我們的計算得到了納秒量級的自旋馳豫時間。最后我們在第七章中通過數值求解多體動力學自旋Bloch方程,研究了在n型GaAs量子阱內T1,T2以及T2*。我們發現由于動量馳豫時間非常短,它們的數值在一個很廣的溫度、濃度、雜質濃度范圍內都基本相同。
【作者】呂川;
【導師】林子敬;吳明衛;
【作者基本信息】中國科學技術大學,凝聚態物理,2014,博士
【關鍵詞】自旋弛豫/去相位;自旋軌道耦合;量子阱;量子點;量子線;空穴;自旋動;力學;

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