稀磁半导体(Ga,Mn)As的磁光性质研究

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自旋电子学是当前国际研究的热点领域,以(Ga,Mn)As等稀磁半导体为材料基础的半导体自旋电子学可能对未来信息技术产生革命性的影响。稀磁半导体(Ga,Mn)As兼具半导体性质和磁性质,并可通过电学或光学方法调控铁磁性,有望设计出新型的自旋电子器件。本文通过各种磁光和电学测量方法,系统研究了(Ga,Mn)As的磁光和电学性质。主要内容如下:  (1)、系统研究了GaAs衬底上的(Ga,Mn)As样品的磁光圆二向色性(MCD)信号随入射光波长、磁场、温度、退火等的依赖关系。MCD随磁场的变化曲线表征了样品的磁化特征,并对该磁化特征曲线给予了定性解释。MCD随温度增加而减小,表明磁化强度的减弱。退火能增加有效载流子(空穴)浓度,使得样品磁性增强,增强了MCD信号。  (2)、测量了(In,Ga)As衬底上的(Ga,Mn)As的MCD,随磁场变化表现出矩形磁滞回线,表明(Ga,Mn)As薄膜中的张应力使易磁化轴垂直于样品平面。同时测量了其MCD信号随波长的变化关系以及退火后样品的MCD信号。  (3)、在测量一些(Ga,Mn)As样品的MCD随磁场变化的特性时出现振荡现象。系统研究了振荡现象随磁场、光波长、温度、退火、Mn杂质含量、样品厚度等的依赖关系。发现振荡行为只在磁化转动过程中出现,随温度增加而逐渐减弱。并且与杂质含量,厚度等都有较强依赖关系。我们对可能引发振荡效应的物理机理进行了讨论。  (4)、研究了(Ga,Mn)As的偏振反射率随磁场变化的性质,发现圆偏振反射时出现振荡,线偏振反射时不出现振荡。测量了(Ga,Mn)As的极向克尔(Kerr)信号随磁场变化曲线,也出现振荡现象。以上结果证明上述振荡现象与MCD的振荡同源,均来源于样品本身的磁性质引发的磁光效应。  (5)、首次采用磁圆二向色性光电阻(PR-MCD)效应研究稀磁半导体,(Ga,Mn)As的PR-MCD随磁场变化的曲线表现为典型的磁滞曲线,且PR-MCD信号随温度增加而减弱,表明PR-MCD可作为表征样品磁性质的重要测量手段。通过理论推导表明,PR-MCD与介电张量非对角元的实部εexy成正比。  (6)、系统研究了(Ga,Mn)As样品的PR-MCD随磁场、波长、温度、应力等的依赖关系,并与MCD特性相比较。发现PR-MCD在波长大于850nm时趋近于0,而MCD信号依然很强;同时在测量波长范围(600nm-900nm)内MCD可能改变极性,而PR-MCD不改变极性。我们推测这表明,PR-MCD仅仅来源于价带到导带的光跃迁引起的载流子浓度的变化,证明了s,p-d交换相互作用对能带结构的调制。
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