GaAs基磁性/非磁性低维结构中圆偏振光电导研究

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稀磁半导体GaMnAs是一种重要的半导体自旋电子学材料,自1996年被成功制备以来,在基础物理研究和技术应用上均取得了大量的研究成果。目前对磁性材料的表征、研究及调控一般都需要外加磁场,但是外加磁场的方式并不利于未来磁性器件的广泛应用,并且外磁场会不可避免地引入一些其它的效应,如塞曼分裂等,这会让我们的研究变得更加复杂。圆偏振相关的光电流或光电导效应是诸多自旋相关现象中比较令人瞩目的一个,通过它可以研究半导体材料中的自旋-轨道耦合效应,并且可以实现有效的自旋极化表征和调控。目前,相关的实验主要集中于非磁性的半导体材料或结构,对于磁性相关材料或结构的研究不多。本论文主要利用圆偏振光电导技术研究了(001)面生长GaMnAs/GaAs异质结和p-GaAs薄膜中自旋极化相关的现象,主要研究结果如下:  1.利用圆偏振光电导技术研究了GaMnAs/GaAs异质结中自旋极化相关的输运现象。观察到磁性相关的圆偏振光电导信号和电场导致的圆偏振光电导信号,根据二者不同的电场依赖关系,可以将二者加以区分。变温实验表明,磁性相关的圆偏振光电导信号随温度的变化与磁矩随温度变化趋势一致。磁性相关的圆偏振光电导信号呈现平面内各向异性,其来自于GaMnAs薄膜的磁各向异性。通过理论建模分析,确认磁性相关的圆偏振光电导信号来源于GaMnAs的圆二向色性。  2.应用圆偏振光电导技术研究了GaMnAs/GaAs异质结中电流诱导的自旋极化(CISP)现象。实验证实了CISP产生的圆偏振光电流随电场成平方依赖关系,而磁矩诱导的自旋极化产生的圆偏振光电流随电场成线性依赖关系。因此,可以通过不同的电场依赖关系加以区分两种效应。最后,研究了CISP产生的圆偏振光电流随温度的依赖关系,并对其变化趋势做了详细讨论。  3.研究了p型GaAs中垂直激发的圆偏振光电导效应。观察到圆偏振光电导信号随着电场先线性增大,然后达到饱和,最后逐渐衰减。圆偏振光电导极化度在小电场下是一个恒定值,在电场较大时,圆偏振光电导极化度逐渐减小。分析表明,小电场下的圆偏振光电导极化度信号可能来源于平面内的残余应力引起z方向的自旋劈裂,在表面电场等因素作用下引起垂直方向上的自旋极化。较大电场下,圆偏振光电导极化度的减小可能与电场导致的载流子加热效应有关。此外,还研究了温度的影响。随着温度的升高,圆偏振光电导极化度随电场的变化逐渐变得平坦,这表明电场导致的弛豫现象随温度变化敏感,低温下更有利于观察电场导致的圆极化度弛豫现象。  4.研究了室温下GaMnAs/GaAs异质结在近红外激发下的偏振光电导效应。偏振光电导主要来源于两种机制,一是平面光学各向异性引起,主要是[110]与[1(1)0]晶向吸收系数的差异,二是线偏光与圆偏光吸收的差异引起,可能源自于缺陷导致的自旋过滤效应。但是,需要更多的其他实验来进一步证实。
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