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砷化镓量子阱中电子自旋注入和弛豫的飞秒光谱研究 砷化镓量子阱中电子自旋注入和 弛豫的飞秒光谱研究 专业：光学 作者：孙丰伟 导师：林位株教授 摘要 采用飞秒脉冲的饱和吸收光谱方法研究了g a h s a 1 g a a s 多量子阱中电 子自旋的注入和弛豫特性，测得电子自旋极化弛豫时间为8 0 p s 。说明了电 子自旋一轨道耦合相互作用引起局域磁场的随机化，是导致屯子的自旋极化 弛豫的主要机制。此外我们还利用时闻分辨的泵浦探测技术首次研究了常 温下电子自旋弛豫时间跟电子浓度的关系。实验发现在电子浓度较低，也 就是泵浦功率较低的时候，电子自旋弛豫时间随电子浓度的增加而延长。 在本实验中泵浦功率从1 4 m w 增加到2 3 0 r o w ，电子自旋弛豫时间相应地从 6 2 p s 延长到1 3 0 p s 。在电子浓度较高，也就是泵浦功率较高的时候，电子 自旋弛豫时间随电子浓度的增加而缩短，在本实验中当泵浦功率达到3 3 3 m w 时，电子自旋弛豫时间也降至8 0 p s 。这一实验结果表明d p 效应和散射都不 能单独导致电子自旋弛豫，它们要结合在一起导致自旋弛豫。在浓度较低 时，d p 机制占主导地位。电子浓度的增加会导致电子间碰撞散射的增强， 从而使得电子动量k 的随机化增强。由于等效磁场时动量k 的函数，动量随 机化的增强使得每个电子感受到的“净”内建等效磁场作用被削弱，d p 机 制受到抑制，从而使得自旋弛豫时间延长。在高浓度情况下，由于电子问 碰撞散射的进一步加强使得e y 机制成为主导弛豫机制。这时自旋弛豫时问 和动量弛豫时间具有相同的变化趋势。显然电子浓度增加，动量弛豫时间 中山太学硕士学位论文 减少，自旋弛豫时间也减少。实验跟理论相吻合，证明了d p 和e y 自旋弛 豫机制的正确性。常温下电子的自旋弛豫时间随载流子浓度的变化关系说 明，电子间碰撞散射导致电子自旋弛豫的方式也是跟电子浓度有关，常温下 d p 机制和e y 机制哪种机剖占据主导地位是跟电子浓度密切相关的。 关键词：泵浦探测，自旋弛豫，饱和吸收，电子散射 i j 壁些! ! 里量堕皇三! 壁堡垒塑垫堡箜立壁堂堕竺塑 f e m t o s e c o n ds t u d i e so fe l e c t r o n s p i n i n j e c t i o na n d r e l a x a t i o ni na i g a a s g a a s m q w m a g o r ：o p t i c s a u t h o r ：s u n f e n g - w e i a d v i s o r ：p r o f l i nw e i - z h u a b s t r a c t t h ee l e c t r o ns p i ni n j e c t i o na n dr e l a x a t i o ni ng a a s a 1 g a a sm q w a r e s t u d i e dw i t hf e m t o s e c o n ds a t u r a t i o na b s o r p t i o nm e a s u r e m e n t s ae l e c t r o ns p i n r e l a x a t i o nt i m eo f8 0 p si sd e d u c e d t h er e l a x a t i o nm e c h a n i s mi sa t t r i b u t e dt o t h er a n d o m i z a t i o no ft h el o c a l m a g n e t i cf i e l da r i s i n gf r o mt h es p i n o r b i t c o u p l i n g a n d f o rt h ef i r s tt i m ew ei n v e s t i g a t e dt h e d e p e n d e n c eo fs p i n r e l a x a t i o nt i m eo ne l e c t r o nc o n c e n t r a t i o nu s i n gat i m e - r e s o l v e ds p i n - d e p e n d e n t p u m p a n d p r o b ea b s o r p t i o nm e a s u r e m e n t t h ee x p e r i m e n td e m o n s t r a t et h a ts p i n r e l a x a t i o nt i m ei n c r e a s ew i t he l e c t r o nd e n s i t yw h e ne l e c t r o nd e n s i t yi sl o w e r w h e nw ei n c r e a s e do u rp u m p p o w e r f r o m1 4 m wt o2 3 0 m w , t h e s p i nr e l a x a t i o n i n c r e a s ef r o m6 2 p st o 1 3 0 p sa c c o r d i n g l y w h e ne l e c t r o nd e n s i t yb e c a m em o r e h i 曲e r , t h es p i n r e l a x a t i o nt i m ed e c r e a s e w i 也i n c r e a s i n ge l e c t r o nd e n s i t y c o n t r a r yt ot h ec a s ew i t hl o w e re l e c t r o nd e n s i t y o u re x p e r i m e n ts h o w st h a t w h e np u m pp o w e rg o t3 3 3 m w , t h es p i nr e l a x a t i o na l s od e c r e a s et o8 0 p s t h e e x p e r i m e n tr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tn i t h e rt h ed p m e c h a n i s mn o rt h es c a t t e r i n g t e r m sa l o n ec a ni n t r o d u c es p i nr e l a x a t i o n t h e yn e e dt ob ec o m b i n e dt oi n d u c e i 中山大学硕士学位论文 s p i nr e l a x a t i o n w h e ne l e c t r o nd e n s i t yl o w e r ，d pm e c h a n i s mi st h ed o m i n a n t s p i nr e l a x a t i o nm e c h a n i s m ，e l e c t r o n e l e c t r o ns c a t t e r i n ge n h a n c e sw i t he l e c t r o n d e n s i t yi n c r e a s i n g s i n c et h ee l e c t r o nm o m e n t u m i sc h a n g e d b ys c a t t e r i n ge v e n t ， t h er a n d o m i z a t i o no ft h ee l e c t r o nm o m e n t u mka l s ob e c o m ee n h a n c e d s i n c e t h ee f f e c t i v em a g n e t i cf i e l dh a sf u n c t i o n a lr e l a t i o nw i t hm o m e n t u mk ，t h e e n h a n c e m e n to fm o m e n t u mr a n d o m i z a t i o nm a k e st h ee f f e c t o ft h e p u r e e f f e c t i v em a g n e t i cf i e l da f f e c t e db ye v e r ye l e c t r o ng o td e c r e a s e d t h e nt h ed p m e c h a n i s mg o t s u p p r e s s e d a n dt h e s p i n r e l a x a t i o nt i m ei n c r e a s e a tt h e c o n d i t i o no f h i g hd e n s i t y , t h es p i n - f l i pp r o b a b i l i t i e sg e ti n c r e a s e d a sar e s u l tt h e s c a t t e r i n gm e c h a n i s m i t s e l f h a saf i n i t ep m b a b i l i t yo f r e v e r s i n gt h es p i n t h e na t t h i sk i n do fc o n d i t i o ne ym e c h a n i s mb e c o m et h ed o m i n a n ts p i nr e l a x a t i o n m e c h a n i s m s p i nr e l a x a t i o nt i m eh a st h es a m ec h a n g e m e n t o b v i o u s l y b o t h m o m e n t u mt i m ea n ds p i nr e l a x a t i o nt i m ed e c r e a sw i t l lt h ei n c r e a s i n go f e l e c t r o n d e n s i t y o u ra n a l y s i s s h o w st h a t e x p e r i m e n t s a c c o r dw i t h t h e o r y a n d d e m o n s t r a t e st h a tt h ed pm e c h a n i s ma n de ym e c h a n i s mi sc o r r e c t a tr o o m t e m p e r a t u r et h en e x u s b e t w e e ns p i nr e l a x a t i o nt i m ea n de l e c t r o nc o n c e n t r a t i o n s h o w st h a tt h ee l e c t r o n e l e c t r o ns c a t t e r i n gh o wt oc h a n g et h ee l e c t r o n ss p i n b a s e do ne l e c t r o nc o n c e n t r a t i o n ，a n dw h e t h e rd pm e c h a n i s mo re y m e c h a n i s m t ob et h ed o m i n a n ts p i nr e l a x a t i o n m e c h a n i s ma l s ob a s e do ne l e c t r o n c o n c e n t r a t i o n 。 k e yw o r d s ：p u m p - p r o b e ，s p i n r e l a x a t i o n ，a b s o r bs a t u r a t i o n ，e l e c t r o ns c a t t e r i n g 砷化镓量子阱中电子自旋注入和弛豫的飞秒光谱研究 第一章电子自旋弛豫的研究现状 1 1 前言 现在微电子器件的加工工艺正从亚微米尺度向纳米尺度发展，一旦达到纳米 尺度那么就必须考虑电子的量子约束效应。由于电子波动使得量予遂穿变得显 著，那么传统的微电子器件将不能工作了。这就必然要求我们寻找新的电子器件 的工作原理。1 9 8 8 巨磁阻效应的发现被认为是基于自旋的电子器件应用的开始 e l l 2 1 。利用巨磁阻效应制造的磁头的灵敏度提高，使得我们可以提高硬盘的存储 密度。巨磁阻效应的巨大成功使得人们考虑在更广泛的范围内利用电子的自旋特 性，这就是最近兴起的自旋电子学。由于电子的自旋本身具有两个方向，这类似 于传统计算机中的0 和1 ，因此人们的一个长远目标就是研制量子计算机p 4 j 。现 在半导体微加工和半导体集成工艺已经很成熟，因此人们考虑将现有的半导体微 加工和半导体集成工艺跟电子自旋相结合来制造半导体自旋电子器件h 】。与传统 的半导体器件相比，半导体自旋电子器件具有稳定性好、数据处理速度更快、功 率损耗更低以及集成密度高等优点【5 l 。但是要制造半导体自旋电子器件需要解决 系列的问题。室温下电子的自旋弛豫时间，自旋弛豫机制，自旋注入效率，自 旋传输，自旋的控制和操作，自旋弛豫的探测睁”】等等。 1 2 电子自旋弛豫的研究现状 1 2 1 电子自旋弛豫时间 电子的自旋弛豫时间包括纵向弛豫时问和横向弛豫时间。纵向弛豫时间是非 相干时间，他描述的是两个自旋态布居的变化。横向弛豫时间是相干时间。纵向 弛豫时涮和横向弛豫时间是有联系的，这是因为纵i 匀弛豫包括布居的变化以及系 中山犬学硕士学位论文 统能量的相对变化。在i i i v 族半导体中室温下的主导机制是电子自旋在由闪锌 矿材料导致的有效磁场中进动。这一有效磁场跟载流子的动量有关当电子从一 个动量态散射到另一个动量态的时候，有效磁场也随着波动。纵向驰豫时间和横 向弛豫时间跟随机磁场的横向磁场和纵向磁场分量有关i ”】： 巧1 ( h j 弦 ( 卜1 ) 巧1 * ( h i 2 + 日；弦 ( 卜2 ) 其中，日分别表示随机磁场的横向分量和纵向分量。r 是远比外加磁场 或者随机磁场进动时间小的时间。实验上测量电子的横向弛豫时间需要施加一个 外加磁场，利用法拉第效应来测量横向弛豫时间。在本论文后面的实验和理论工 作中所研究的是电子的自旋退极化。因此我们主要以电子的纵向弛豫时间为重 点。 1 2 2 自旋载流子布居的注入 要制造自旋电子器件，首先必须在材料中产生自旋载流子布居。现在普遍采 用的白旋注入方法有两种。一种是利用电的方法注入。电注入法一般是采用如下 图1 - 1 所示的多层结构【1 3 1 。 2 砷化镓量子阱中电子自旋注入和弛豫的飞秒光谱研究 图1 1 以砷化镓为衬底的外延生长的铁磁半导体异质结中电子自旋注入示意图 p 型g a m n a s 铁磁半导体中自发极化强度在居里温度易下得到提高。g a m n a s 层中自旋极化的空穴通过厚度为d 的g a a s 隔层和 型g a a s 村底中非自旋极化 的电子一起被注入到i n g a a s 量子阱中，并且产生偏振的电致荧光。通过电致荧 光的偏振情况我们就可以得到注入空穴的极化情况。 第二种方法就是光学注入法【1 。根据能量守恒和角动量守恒，当我们用一束 圆偏振光激发价带会在导带中产生自旋占优的载流子布居。有关光学注入自旋载 流子布居我们会在第二章中详细论述。 在铁磁金属中由于它的能级本身是分裂的，因此也就不存在电子的自旋弛豫。 但是在半导体材料中自旋态能级是不分裂的，那么我们必须考虑电子的自旋弛豫 问题。 1 2 3 电子自旋弛豫的研究现状 人们第一次认识到电子的自旋是斯特恩一革拉赫实验，乌伦贝克和歌德斯密 托为了解释斯特恩一革拉赫的实验结果提出了电子具有自旋的量子特性i l ”。之后 人们对电子的自旋弛豫进行了广泛而深入的研究。由于受到实验条件和实验手段 的限制，在超快技术出现之前，人们对电子自旋弛豫的研究只是停留在理论上。 在这一时期人们先后提出了三种不同的自旋弛豫机制。这三种自旋弛豫机制分别 是e yh 6 ，1 7 1 机制，dp 【1 8 。2 叫机制，b a p l 23 1 机制。e y 机制认为由于导带和价带的交错 3 。 一 中山大学硕士学位论文 导致，自旋轨道耦合相互作用导致导带波函数不是纯自旋态，从而使得自旋方向 会由于杂质散射或者声子散射等而改变。d p 机制认为在中心反演对称性缺失的 l ij v 族半导体化合物中自旋轨道耦合相互作用导致导带电子的自旋分裂。自 旋分裂能e 跟波矢k 的立方成正比。导带的自旋分裂等效于存在一个有效外加 磁场。既然任何散射事件都会改变电子动量弛豫，那么磁场振幅和方向的波动必 然会导致电子的自旋弛豫；d p 机制是室温下的主导弛豫机制。b a p 机制认为电 子空穴的交换相互作用导致电子的自旋弛豫，且它反映的是自由电子和空穴的自 旋弛豫。 在上述三种电子自旋弛豫理论的基础上人们对电子的自旋弛豫机制进行了 深入研究，并且取得了显著的进展。电子的自旋退偏振的一个重要研究内容就是 纵向弛豫时问。早期人们研究电子的自旋退极化主要是采用稳态光谱法2 2 1 。 r r p a r s o n s 在4 2 0 k 在p 型g a s b 中通过测量导带电子和价带空穴复合发出的光 的圆偏振度来研究由光学泵浦得到的导带电子的自旋极化。实验中可以得到 4 2 8 的自旋极化，并且利用弱的横向磁场得到光生电子的寿命是 f ：f 6 0 o 7 ) 1 0 4 j 。这种方法精确度低，不利于准确测量。 后来随着激光技术的发展，1 9 8 0 年r j s e y m o u r 和r r a l f a n o 2 3 i 第一次利用 条纹相机采用光致荧光法测量，直接观测到砷化镓中电子的自旋弛豫的动力学过 程。实验测得在载流子浓度为7 1 0 7 c m 3 时电子的纵向弛豫时间是8 8 3 4 p s 。 由于光致荧光法本身具有一定的局限性，如常温下荧光效率低，只能在低温下展 开实验，对于更具实际应用价值的常温情况无法用光致荧光法研究电子的自旋弛 豫；只能研究发光材料；由于光致荧光法是通过测量光的圆偏振度来间接测量电 子的自旋偏振情况，但是这就存在一个问题就是利用圆偏振光的圆偏振度作为电 子自旋极化测量方法的准确性问题。c e p r y o r l 2 4 】等实验发现即使载流子是1 0 0 自旋极化的，载流予复合发出的光也会由于量子点的形状的影响而可能仅仅是部 分圆偏振的。此外研究还发现在i n a s g a a s 自组装量子点的【1 1 0 方向，即使是载 流子的自旋态是1 0 0 ，载流子复合发出光的圆偏振度也只有5 。而在沿材料 的卜艮方向发现电子的自旋极化和光的圆偏振具有一致性，并且不依赖于自组装 量子点的形状。此后1 9 9 4 年j j b a u m b e r 9 1 2 5 l 等人利用超快法拉第光谱研究了磁 4 砷化镎量子阱中电子自旋注入和弛豫的飞秒光谱研究 半导体量子结构中电子的自旋退相干过程。他们利用磁化的光学泵浦研究量子束 缚结构中的载流子自旋散射的演化和磁动力学。利用飞秒分辨的法拉第转角法对 i i v i 族磁异质结进行研究，实验表明相位和自旋散射与总的载流子自旋的可调 谐的太赫兹量子拍频一致。利用光激发载流子通过具有纳米量级的磁势垒产生强 烈依赖于初始磁场状态和载流子自旋方向磁微扰来研究电子自旋方向的反转。 1 9 9 0 年a t s u s h it a c k e u c h i 2 6 1 等人第一次利用跟自旋相关的光学非线性性质来直 接观测g a a s a i g a a s 量子阱中激子的皮秒弛豫。这是人们第一次利用泵浦搽测 技术来研究电子的自旋弛豫情况。室温下测得g 利s i a i o5 l g d o 4 9 a s 多量子阱中 测得电子的自旋弛豫时间是3 2 p s 。 t s o g a w a t 2 7 1 等人测量了g a a s a i a s 量子线材料中自旋极化的光致荧光的 激子的光谱和它的自旋弛豫时间。实验发现在接近跃迁带边处自旋极化具有最大 值，并且自旋极化随着激子声子能量的变化而变化。对比量子线材料和量子阱材 料的自旋弛豫时间，发现低温( 1 5 - 8 0 k ) 下，在一维结构的材料中电子的自旋弛豫 速率降低了。 h g o t o h t 2 町等人利用时间分辨的光致荧光法研究了零维半导体纳米结构 i n g a a s 量子盘中激予的自旋弛豫时间。实验发现激子的自旋纵向弛豫时间强烈 依赖于量子盘的横向长度。在4 k 温度下激子的纵向弛豫时间达到o 9 n s ，这几乎 是辐射复合时间的两倍；并且也远比量子阱中的纵向弛豫时间长。同时实验发现 在低温下激子的自旋弛豫速率随温度的增加而提高，这说明在零维量子盘中自旋 弛豫产生于声学声子导致的激子的散射。在不连续能级问可能态的完全缺失是自 旋弛豫效率低的主要原因。零维态密度导致任意散射过程被抑制从而使得激子的 自旋弛豫效率降低。 a t s u s h it a c k e u c h i t 2 9 1 等人在室温下利用时间分辨的基于电子自旋的泵浦探 测饱和吸收技术测量了不同阱厚下无掺杂g a a 姒l g a a s 多量子阱材料和 i n g a a s i n p 多量子阱材料中电子的自旋弛豫时间。实验发现g a a s a i g a a s 多量 子阱中电子的自旋弛豫时间f ，跟束缚能e i 。有关，并且有f ，。c e 2 ：这说明在 室温下g a a s a i g a a s 多量子阱中的主要弛豫机制是d p 机制。实验还测得带隙是 g a a s a i g a a s 量子阱的一半的i n g a a s i n p 量子阱中电子的自旋弛豫时间是5 p s ， 并且电子的自旋弛谶时间随电子束缚能e l 。的变化而变化，且有f ，目o 。这 中山大学硕1 ：学位论文 说明在窄带隙材料中e y 机制变得显著，并且根据e y 机制有f 。o ce lo ，由此 可知i n g a a s i n p 中占主导地位的e y 弛豫机制。 r s b r i t t o n t 3 0 l 等人研究了室温下无掺杂g a a s d a l g a a s 多量子阱中电子的自 旋弛豫时间( 纵向弛豫时间) 跟阱宽( 也就是束缚能) 的关系。由于声子作用下的动 量散射导致的d p 机制使得阱宽较大的量子阱中电子的自旋弛豫速率趋向于跟本 征材料一样。此外在阱宽较窄的量子阱中电子的自旋弛豫速率强烈依赖于量子阱 的阱宽，这也跟d p 机制预计的一样。但是对于不同的材料，电子的自旋弛豫速 率具有相当大的变化，这是由于样品内界面结构的不同引起的。 不但电子的自旋弛豫引起人们的极大兴趣，现在空穴的自旋弛豫也正逐步引 起人们的重视。由于i i i v 族化合物中空穴的准动量和角动量耦合，以及自旋轨 道耦合相互作用很强使得在砷化镓之类的立方体晶体中空穴的自旋弛豫速率非 常快，空穴的弛豫时间跟动量弛豫时间具有相同的量级甚至可以达到飞秒量级。 赢接在砷化镓体材料中观测自旋极化的空穴的光学取向和空穴的c a 旋弛豫是非 常困难的。但是另一方面，在量子阱中由于导带和价带结构的变化会使得在接近 带中，t l , 处空穴的自旋弛豫动力学有显著的变化【3 ”，从而导致空穴的自旋弛豫时 间显著增加。根据掺杂水平，温度，量子阱结构的不同，量子阱中空穴的自旋弛 豫时间的范围4 p s 1 n s 3 3 , 3 4 1 。研究掌握有关自旋极化的空穴的自旋弛豫动力学机 制对于我们理解电子的自旋弛豫是至关重要的。首先空穴的自旋弛豫经常通过电 子一空穴交换相互作用对电子的自旋弛豫起作用，如b a p 机制；特别是在重搀 杂的量子阱中空穴自旋弛豫对电子自旋弛豫的影响尤为显著。其次各种关于电子 自旋弛豫的过程，如e y 机制，d p 机制，b a p 机制等都是在涉及电子和空穴的 导带价带荧光研究基础之上得到的。d j h i l t o n 【3 5 l 等人在室温下利用时间和极化 分辨的飞秒脉冲光谱直接观测到了无掺杂砷化镓体材料中自旋极化的空穴的光 学取向和伴随发生的自旋弛豫。实验测得重空穴的自旋弛豫时间近似为 1 1 0 向f + l o ) 。这一工作跟实际工作密切相关，如阐述半导体中自旋极化的传 输问题以及评估基于空穴的自旋传播装置的可行性，而这无疑都依赖于对空穴自 旋弛豫时间的准确认识。 既然空穴的自旋弛豫会对电子的自旋弛豫有影响，那么空穴对电子的自旋弛 豫到底有什么影响呢? h g o t o h l 3 6 1 等人在室温下利用g a a s a t g a a s 量子阱研 6 砷化镓量子阱中电子自旋注入和弛豫的飞秒光谱研究 究了电子一空穴相互作用对电子自旋弛豫时间的影响。实验发现电子的自旋弛豫 时间随电子和空穴的间距的变化而变化，其中我们可以通过调整旌加在量子阱上 的电场来改变电子和空穴的间距。随着电子和空穴间距的增加，电子的自旋弛豫 时间也随之延长。我们知道在室温下量子阱中电子的自旋弛豫主要是由d p 效应 引起的，并且d p 机制认为电子的自旋弛豫是由于电子动量的随机化导致的，且 只有电子散射跟自旋弛豫有关，因此d p 机制认为电子的自旋弛豫不会受到周围 空穴的影响，也就是说d p 机制是电子和空穴间距无关的。因此在这种情况下除 了d p 机制，还有另外一种跟电子一空穴交换相互作用有关的机制对电子的自旋 弛豫起作用。b a p 机制和m _ a s 机制都是基于电子一空穴交换相互作用的。b a p 机制主要解释的是自由电子和空穴的自旋弛豫问题，m a s 机制主要解释的是激 子的自旋弛豫问题。考虑到在室温下自由电子对自旋弛豫的贡献远大予激子对自 旋弛豫的贡献，因此b a p 机制相比m a s 机制占主导地位。b a p 机制认为自由 电子和空穴的自旋弛豫时间跟交换能的平方成反比，而交换能是跟电子和空穴波 函数的重叠积分成正比。显然电子和空穴间距减少导致交换能的增加从而导致电 子的自旋弛豫时间缩减。 除了对电子自旋退极化进行了深入研究之外，人们的另一个研究的重点就是 电子自旋退相。 m ww u 【3 7 1 等人的研究了l i t 型砷化镓中d p 弛豫机制对电子自旋退相的影 响。实验表明电子的自旋退相时间会受到温度，杂质搀杂水平，磁场，电予浓度 等的影响。实验表明低温下在有杂质散射的情况下电子自旋退相时间会随着温度 的增加而增加，而这一点跟旧的d p 机制的预言是相反的。实验结果表明当有杂 质引入时电子的自旋退相时间会减少，但是如果进一步增加杂质浓度，电子自旋 退相时间反而会增加。电子自旋退相时间随杂质水平的变化可以这样理解：首先 d p 项和散射项都不能单独产生电子的自旋退相。它t f - - 者必须结合在一起才能 产生电子自旋退相。然而还有一点需要值得注意的，那就是散射也会使得电子在 动量空间重新分布并且趋向于使得电子在动量空间各向同性分布。因而当进一步 把杂质浓度增加一个数量级的时候。由d p 效应引起的各向异性被抑制了，从而 使得电子自旋退相时间增加。此外实验表明在d p 效应被抑制的情况下，电子自 旋退相时间对磁场的依赖性也被抑制了。m ww u 等人的理论预言在有杂质存 7 中山大学硕士学位论文 在的情况下电子的自旋退相时间会随着温度的增加而增加，但是这一点正好跟以 往的只是简单处理d p 效应得到的结果相反。然而o h n o i 弼i 等人的实验也表明对 于n 型掺杂的砷化镓量子阱材料，电子的自旋退相时间也会随着温度的增加而 增加。对此可以这样解释：当温度增加时，电子一杂质散射增强，使得由d p 效 应导致的各向异性被抑制，从而自旋退相时间增加。但是当杂质掺杂水平更高时， 电子的自旋退相时间虽然也随温度的增加而缓慢增加，但是随温度的变化已经很 不显著了。此外需要指出随着温度的上升，电子一声子散射导致的电子在动量空 问的重新分布对各向异性的破坏要比电子一杂质散射效率低。实际上在没有杂质 的情况下，d p 退相随温度的变化更显著。也就是说电子自旋退相时间随温度的 增加丽明显减少。实验研究还表明电子自旋退相时间随磁场的增加而增加而且与 杂质浓度，温度，电子浓度无关。可能的解释就是磁场使得电子进动，这随之会 在动量空间引入额外的对称性，这会限制在动量空间中各向异性的d p 效应。同 时实验还发现在更高的杂质掺杂水平或者更高的温度电子自旋退相时间对磁场 的依赖性受到抑制。这是因为在高杂质搀杂水平一旦系统已经或多或少在动量空 间随机化了，那么磁场引入的新的对称性的作用也就变小了。在低温情况下实验 还发现随着载流子浓度的降低，自旋退相时间随之延长。这是因为d p 效应跟七 成正比，也就是跟载流子浓度。成正比；所以当降低载流子浓度的时候d p 效 应的重要性随之降低。需要指出的一点是k i k k a w ad 9 1 等人的实验表明在低电子 浓度的情况下自旋退相时间随磁场的增加而减少。 1 3 电子自旋的应用一自旋电子器件 y u in i s h i k a w a 【4 0 】等人提出了利用基于电子自旋的量子阱全光开关。他们指 出可以产生弛豫时间低于7 p s ，高重复率的自旋极化。 自旋电子器件的一个非常重要的进展就是m r a m ，它是“m a g n e t i c r a n d o m a c c e s sm e m o r y ”的缩写，意为磁随机存取存储器，是一种利用磁原理实现数据 存取的内存技术。m r a m 具有下面几个特点：1 m r a m 利用存储介质的磁化特 征来存储数据，只要外在的磁场不发生改变，存储介质的磁化特征就不会变更， 8 砷化镓量子阱中电子自旋注入和弛豫的飞秒光谱研究 因此m r a m 在失去电流供应的时候依然能够永久保存着数据。2 在运行过程 中，m r a m 不需要像d r a m 一样，需要不问断的电流刷新动作，因此它功耗也 大大低于各种d r a m 。3 因为磁化过程极为短暂，m r a m 的写入读取动作就 相当迅速，甚至可达到目前c p u 的高速缓存存取速度的水准。4 在存储密度方 面，m r a m 也令人满意，它的芯片存储密度与d d r 、r d r a m 等各类型d r a m 相当，作为内存模块完全可行。5 在使用寿命方面，m r a m 重复读写次数近乎 无限。7 m r a m 芯片以便宜的铁、铝金属材料为主，制造成本较低，而且抗辐 射能力远高于硅基半导体原料。i b m 英飞凌的基本m r a m 存储结构( 图l 一2 ) 。 它是基于磁隧道结结构，是一种立体栈式结构。 l。洲。嘶。 i f e r r o r n a g n e l j ct a y e s1 t u n n e l i n gi s u l a t o r f e r r o m a g n e t i cl a y e r s2 c o u p l i n gl a y e r f e r r o m a g n e t i cl a y e r s3 a n t i r e r t o r n a g n e t f b o t t o me l e c t r o d e 图1 - 2 ，基本m r a m 存储单元 从上到下分别是 位线( b i tl i n e ，也被称为顶部电极，t o pe l e c t r o d e ) 、铁 磁层1 、氧化铝元素构成的穿隧绝缘体( t u n n e l i n gi n s u l a t o r ) 、铁磁层2 、接合层 ( c o u p l i n gl a y e r ) 、铁磁层3 、反铁磁层( a n t i f e r r o m a g n e t ) 和字线( w o r d l i n e ， 也就是底部电极，b o t t o me l e c t r o d e ) 。其中位线与字线负责读写电流的输入输出， 铁磁层l 是真正用于数据存储的单元，单元中原子的电子自旋方向可以被电流改 中山大学硕士学位论文 变，也就是磁极方向可被人为控制。隧穿绝缘体用于产生变化的电阻，在不同磁 场下它可表现出差异甚大的电阻特性。铁磁层2 和铁磁层3 的磁性都是固定不变 的，两者通过接合层连接并且磁性互反。这样就保证了无论铁磁层1 是何种磁 极，都能够产生施加给隧穿绝缘体的磁场。如果只有一对铁磁层，那么当两者原 予中的电子自旋方向相同时，就无法产生一个施加于隧穿绝缘体的磁场，也就无 法控制电阻变化，所以使用三个铁磁层是必要的。至于反铁磁层的作用则是确保 上述三层可处于一种稳定工作状态，同时也作为电流传输的介质。在工作的时候， 状态发生变化的只有铁磁层1 ，它会因为电流的改变而改变原子中电子自旋的方 向，从而完成数据0 、1 的读写过程。 j i n gs h i l 4 1 1 和他的同事首次制造出了有机自旋阀，这是一种利用外加磁场来 改变电阻的装置。自旋阀的结构是三明治结构，薄的金属层或者绝缘层位于两个 铁磁电极之间。电子通过装置时，电子自旋方向会被外加磁场改变。并且外加磁 场会改变两个铁磁层之间的电阻。这就是众所周知的磁阻效应。s h i 和他的合作 者利用铝和羟脯氨酸得到的l o o n m 厚的半导体材料研制出自旋阀。实验结构如 下图1 3 所示。 b a t t e r y s p i n v a l v eo n c u r r e n th i g h s p i nv a l v e o f f m e t e r c u r r e n tl o w e l e e t r o d e1 o r g a n i c s e m i c o n d u c t o r e l e c 缸o d e2 e l e c t r o d e1 o r g a n i cs e m i c o n d u c t o r e l e c t r o d e2 自旋阀是一- 个三明治结构。半导体位于钴层和镧，锶以及镁的合金之问。有机白 旋阀跟传统的基于半导体材料( 如硅) 的真空管具有如下优势：易于操作，适应性 訇塑m蕾旮 砷化镓量子阱中屯子自旋注入和弛豫的飞秒光谱研究 强并且它们的电阻可以通过掺杂来调谐。 小结 本章中我们回顾了有关电子自旋弛豫的研究历史和对弛豫机制研究所取得 的一些重要研究成果。并且还介绍了基于电子自旋所制造的自旋电子器件以及这 些自旋电子器件跟传统电子器件的不同，也就是它们的优势所在。这些都表明对 于电子自旋弛豫的研究既有重要的基本物理意义又有重要的实际应用价值。既然 要制造具有实际应用价值的自旋电子器件，那么常温下电子的自旋注入和弛豫就 成为首先要解决的问题。在以往的文献中大多是研究低温下在载流子的自旋弛 豫。此外在以往的文献对自旋弛豫机制的研究中简单的把e y 机制和d p 机制区分 开来，后面的实验我们会发现随着电子浓度的不同，这两种机制会分别起主导作 用。在本文中我们将会研究常温下电子的纵向弛豫时间以及载流予浓度对自旋弛 豫的影响，实验发现在不同的浓度下载流子导致自旋弛豫的方式是不同的。 一一 ! 些查堂堡主堂竺堡苎 参考文献 1 m b a i b i c h ，e ta 1 ，g i a n t m a g n e t o r e s i s t a n c eo f ( 0 0 1 ) f e ( 0 0 1 ) c r m a g n e t i c s u p e f l a t t i c e s ，p h y s r e v l e t t 19 8 8 ，6 1 ：2 4 7 2 2 4 7 5 2 j b a r n a s ，e ta l ，n o v e lm a g n e t o r e s i s t a n c ee f f e c ti nl a y e r e dm a g n e t i cs t r u c t u r e s ： t h e o r ya n de x p e r i m e n t p l a y s r e v b 1 9 9 0 ，4 2 ：8 11 0 8 1 2 0 3 t d l a d d ，e ta 1 ，a l l - s i l i c o nq u a n t u m c o m p u t e r p h y s r e v l e t t 2 0 0 2 8 9 ：0 1 7 9 0 1 0 1 7 9 0 4 4 b e k a n e ，as i l i c o n b a s e d n u c l e a r s p i nq u a n t u mc o m p u t e r n a t u r e 1 9 9 8 3 9 3 ：1 3 3 一1 3 7 5 s a w o l f , e ta 1 印i n t r o n i c s ：as p i n b a s e de l e c t r o n i c sv i s i o nf o rt h ef u t u r e s c i e n c 2 0 0 l ，2 9 4 ：1 4 8 8 1 4 9 5 6 j a g u p t a ，x p e n g ，a e a l i v i s a t o s ，d d a w s c h a l o m ，s p i n c o h e r e n c ei n s e m i c o n d u c t o rq u a n t u m d o t s p h y s r e v b ，1 9 9 9 ，5 9 ：1 0 4 2 1 - 1 0 4 2 4 7 c c i u t i ，j e m c g u i r e ，l j s h a m ，s p i np o l a r i z a t i o n o fs e m i c o n d u c t o rc a r r i e r sb y r e f e l c t i o no f f a f e r r o m a g n e t , p h y s r e v l e t t 2 0 0 2 ，8 9 ：1 5 6 6 0 1 - 1 5 6 6 0 4 8 j m k i k k a w a , d d a w s c h a t o m ，l a t e r a ld r a go fs p i nc o h e r e n c ei ng a l l i u ma r s e n i d e n a t u r e 1 9 9 9 ，3 9 7 ：1 3 9 1 4 1 9 e g a n i k h a n o v , k c b u r r , c l ，t a n g ，u l t r a f a s td y n a m i c so f h o l e si ng a a sp r o b e d b y t w o - c o l o rf e m t o s e c o n d s p e c t r o s c o p y a p p l p h y s l e t t 1 9 9 8 ，7 3 ：6 4 6 6 l0 r ，a t a n a s o v , e t a 1 ，c o h e r e n t c o n t r o lo f p h o t o c u r r e n tg e n e r a t i o n i nb u l k s e m i c o n d u c t o r s p h y s r e v l e t t ，1 9 9 6 ，7 6 ：1 7 0 3 1 7 0 6 1 1 m a r t i n j s t e v e n s ，e ta 1 ，c o h e r e n t c o n t r o lo fa n o p t i c a l l yi n j e c t e d b a l l i s t i c s p i n - p o l a r i z a t i o n c u r r e n ti nb u l kg a a s ，j a p p l e h y s ，2 0 0 2 ，9 1 ：4 3 8 2 4 3 8 6 l2 w a y n e ，h l a u e t a 1 e l e c t r o n s p i n d e c o h e r e n c ei nb u l ka n d q u a n t u m w e l l z i n c b l e n d es e m i c o n d u c t o r s p h y s r e v ，b 2 0 0 1 ，6 4 ：1 6 1 3 0 1 1 6 1 3 0 4 13 y o h n o ，e ta 1 ，e l e c t r i c a l s p i ni n j e c t i o n i na f e r r o m a g n e t i c s e m i c o n d u c t o r b e t e r o s t r u c t u r e n a n t u r e ，19