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半导体自旋电子学主要研究自旋极化的产生、输运、控制和探测,近年来受到了学术界和产业界的极大关注。自旋的产生一般是通过光场、电场、磁场注入自旋。随着器件尺寸的不断缩小,在很小的区域内产生高磁场变得更加困难；而光学方法也可以控制自旋态,但它不利于器件的小型化和集成化。因此,通过电学方法注入自旋成为研究的热点之一。稀磁半导体(Ga,Mn)As兼备常规半导体特性和铁磁性,有望用来实现下一代半导体自旋电子器件,因此,我们深入研究了(Ga,Mn)As中电流诱导的自旋极化。本项工作有助于理解自旋的产生和控制。
本论文共分七章:
第一章主要介绍了自旋电子学的研究背景、发展状况以及电流诱导自旋极化的研究现状和可能的应用前景。
第二章主要介绍了自旋电子学研究中自旋注入、探测和自旋弛豫机制等方面的基本概念和主要理论。
第三章主要概述了本项实验研究中用到的主要测量系统:时间分辨克尔测量系统、可旋转磁场下时间分辨克尔测量系统和电流诱导克尔旋转测量系统。此外,还简单介绍了微弱信号的检测方法、半导体材料的生长以及分析设备。
第四章中,主要介绍我们利用可旋转磁场时间分辨克尔测量系统,测量了不同磁场方向下(Ga,Mn.)As和GaAs的时间分辨克尔信号,并确定载流子g因子的符号。在固定延迟时间和磁场强度下,测量了自旋进动信号随磁场方向的变化,它类似于正弦形式,其相位决定于载流子g因子的符号。通过以上的测量,不仅得到了正确的GaAs电子的g因子符号,也确定了磁性半导体(Ga,Mn)As中载流子的g因子符号是负的。
第五章中,主要介绍了利用电流诱导克尔旋转测量系统,测量了(Ga,Mn)As样品电流诱导自旋极化。我们发现,对于某些特定频率的驱动电流,电流诱导的克尔旋转角以共振的形式显著地增强。在共振频率处,克尔旋转角随着电流大小线性增加。在外加磁场时,观察到了克尔旋转角的Hanle效应。这种现象可能来源于交变电流对Mn离子的共振激发,但是具体的原因和机制仍有待于进一步的研究。
第六章中,利用电流诱导克尔旋转测量系统,我们在(Ga,Mn)As和p-GaAs样品中发现,在GaAs吸收带边附近,克尔旋转角强烈依赖于入射光(探测光)的波长。我们测量了(Ga,Mn)As和p-GaAs样品的一阶和二阶电流诱导克尔旋转谱和反射谱,电流诱导一阶克尔旋转角随着电流的增强而增大,和电流的大小成正比关系:而二阶的克尔旋转角正比于电流的平方,它来自于焦尔热效应。同样,一阶的反射率也随着电流的增强而增大(正比关系),二阶的反射率与电流的平方成正比。(Ga,Mn)As的克尔旋转角比和p-GaAs的大了一个数量级,这说明Mn原子的掺杂增强了电流诱导的自旋极化。另外,我们还测量了温度和入射光偏振方向对电流诱导克尔旋转谱和反射谱的影响。
最后一章是结论。