基于介观和多体层面的对于半导体自旋电子学中若干问题的研究

论文摘要

自旋电子学是一门研究如何在固体中有效地控制自旋自由度的新兴交叉学科,人们希望利用自旋自由度来取代或者结合传统电子学器件中的电荷自由度,从而实现新型的自旋电子学器件。研究自旋电子学器件要解决的主要问题有:如何有效地产生自旋极化;自旋极化保持的时间和输运的距离,以及如何操控它们;自旋极化的探测。在本论文中,我们将基于介观和多体层面来研究受限半导体纳米结构中,主要是量子阱/线系统,自旋极化的产生以及自旋弛豫/去相位问题,前者包括自旋过滤器和自旋霍尔效应两个方面。在论文中我们首先回顾了自旋电子学的发展,包括各种自旋电子学器件,自旋极化的产生、探测,自旋弛豫/去相位机制,以及Ⅲ-Ⅴ族半导体材料中自旋轨道耦合的来源,包括Dresselhaus、Rashba和Elliott-Yafet自旋轨道耦合。我们比较仔细地给出了自旋系综的各种自旋弛豫机制及其计算方法,主要包括Elliott-Yafet机制,D’yakonov-Perel’机制,Bir-Aronov-Pikus机制以及原子核超精细相互作用,还详细讨论了非均匀扩展导致的自旋弛豫/去相位机制。之后我们还介绍了动力学自旋Bloch方程的发展过程和主要结果,回顾了Singwi-Tosi-Land-Sj（?）lander局域场修正（local field correction）,这些都属于多体问题的研究。此外,我们还回顾了介观物理的一些基本概念及其常用的Landauer-Büttiker公式,这些属于介观物理的范畴。在多体问题的研究中,通过建立和求解动力学自旋Bloch方程,我们研究了量子阱系统中的自旋弛豫/去相位问题。我们首先研究了沿（001）方向生长的n型GaAs量子阱中的自旋弛豫/去相位时间,在计算中考虑了所有可能的散射:电子-纵向光学声子散射、电子-非磁性杂质散射、电子-电子库仑散射,特别是电子-声学声子散射的计入使我们的研究范围扩大到了低温区。我们把得到的自旋弛豫/去相位时间与实验数据在很大的温度范围内做比较,证明我们的理论与Ohno等人的实验[Physica E 6,817（2000）]符合得非常好。更重要的,我们指出库仑作用不仅仅在高温时很重要,在低温下也很重要,我们预言了一个自旋弛豫/去相位时间的峰,它来源于库仑作用在简并和非简并区相反的温度依赖关系。目前该现象已被Ruan等人的实验所证实[Phys.Rev.B 77,193307（2008）]。此外我们还详细研究了电子浓度、杂质浓度、量子阱阱宽、温度以及外加电场对自旋弛豫时间的影响。此外,我们还研究了本征和p型GaAs量子阱中由Bir-Aronov-Pikus机制引起的自旋弛豫/去相位,指出利用费米黄金规则计算的Bir-Aronov-Pikus机制的自旋弛豫/去相位时间是做了弹性散射近似进而忽略了电子-空穴交换相互作用中的非线性项后的结果,因此是不准确的。我们的计算表明量子阱中的自旋弛豫/去相位和体材料中的是很不一样的,在二维情况下,Bir-Aronov-Pikus几乎不可能占主导作用,其贡献要么小于,至多只是和D’yakonov-Perel’机制可以比拟。Weng和Wu在文献[Phys.Rev.B 68,075312（2003）]中预言,自旋弛豫/去相位时间会随着自旋极化的变大而变长。这个效应来源于库仑相互作用的Hartree-Fock项,该项起到了一个沿z方向的有效磁场的作用,该磁场会随着自旋极化的变大而增强,并会因为缺乏调制（detuning）而阻止自旋进动。我们从理论和实验上详细研究了初始自旋极化的增加对自旋弛豫/去相位的影响。我们首先在实验上得到了可观的自旋极化,并通过时间分辨的法拉第旋转角（Faraday rotation）和科尔旋转角（Kerr rotation）实验来验证上述效应,发现自旋去相位时间明显地随着初始自旋极化的增加而变长,而且它在小极化时是随温度上升的,在大极化时却是随温度下降的。这些性质和Weng和Wu的理论预言完全吻合。此外我们还发现自旋守恒与自旋翻转的电子-空穴散射以及空穴气体提供的屏蔽对自旋弛豫/去相位也有一定的影响。之后我们研究了低温下n型GaAs量子阱中Singwi-Tosi-Land-Sj（?）lander局域场修正及其对自旋弛豫/去相位的影响。局域场修正包含了随机相位近似（random phaseapproximation）中忽略的交换-关联空穴的屏蔽作用,它的引入将会削弱了电子-电子库仑散射和库仑Hartree-Fock项。我们比较了不同条件下有无局域场修正时的自旋弛豫/去相位时间。当散射的削弱程度大于Hartree-Fock项的削弱程度时,局域场修正在强散射极限下会使自旋弛豫/去相位时间变短,而在弱散射极限下则会使之变长。而当Hartree-Fock项的削弱程度大于散射的削弱程度时,局域场修正会使自旋弛豫/去相位时间变短。在介观问题的研究中,我们首先利用格林函数方法和四端口的Landauer-Büttiker公式研究了二维介观空穴系统中的自旋霍尔效应。我们发现,即使在自旋向上的重（轻）空穴与自旋向下的重（轻）空穴之间没有任何的关联时,仍然有自旋霍尔效应,且与Γ点简并与否无关。如果从一端注入无极化的重空穴,在选择合适的端口电压后,可以在横向的两个端口得到纯的重空穴自旋流,同时伴随有不纯的轻空穴自旋流。而且在二维系统中,空穴的自旋霍尔效应比电子的要鲁棒（robust）很多。最后,我们提出了三种新的自旋过滤器模型。一种是利用Aharonov-Bohm环结构中的相干输运,并在环臂上加上周期调制的磁场,它可以在多个通道上产生自旋极化。一种是利用双折（double-bend）结构中的相干输运,在上面加一个较弱的磁场,强烈的共振与反共振会导致很大的自旋极化。还有一种是利用二维空穴Aharonov-Bohm环结构,与电子结构的Aharonov-Bohm环不同,由于轻重空穴的存在,电导率不仅仅会呈现出Aharonov-Bohm效应导致的振荡,还会变得对自旋有选择作用,由丰富的干涉效应就可以实现自旋过滤。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 研究背景介绍
• 1.1 自旋电子学简介
• 1.2 第二类自旋电子学器件
• 1.2.1 Datta-Das晶体管
• 1.2.2 自旋MOSEFT
• 1.2.3 热电子自旋晶体管
• 1.2.4 有机物自旋阀
• 1.2.5 磁p-n结
• 1.2.6 自旋二极管
• 1.2.7 磁双极晶体管
• 1.2.8 石墨烯晶体管
• 1.3 自旋极化的产生
• 1.3.1 输运方法注入
• 1.3.2 自旋霍尔效应
• 1.3.3 光学方法
• 1.4 自旋极化的检测
• 1.4.1 电学方法
• 1.4.2 光学方法
• 1.5 Ⅲ-Ⅴ族半导体能带结构简介
• 1.5.1 两带哈密顿量
• 1.5.2 有效哈密顿量与自旋轨道耦合
• 1.5.3 二维受限半导体系统
• 1.6 自旋弛豫和去相位
• 1.6.1 Elliott-Yafet机制
• 1.6.2 Bir-Aronov-Pikus机制
• 1.6.3 D'yakonov-Perel'机制
• 1.6.4 超精细相互作用机制
• 1.6.5 自旋弛豫/去相位的研究进展与讨论
• 1.7 动力学自旋Bloch方程方法
• 1.7.1 四自旋子带模型
• 1.7.2 自旋守恒散射导致的自旋弛豫/去相位
• 1.7.3 两自旋子带模型
• 1.8 局域场修正
• 1.8.1 Singwi-Tosi-Land-Sj（?）lander局域场修正
• 1.8.2 其他局域场修正计算
• 1.9 介观物理
• 1.9.1 Landauer-Büttiker公式
• 1.9.2 电导的计算
• 1.9.3 Aharonov-Bohm效应
• 1.9.4 Anderson无序
• 1.9.5 自旋过滤器
• 第二章 n型GaAs量子阱中的自旋弛豫
• 2.1 自旋动力学方程
• 2.2 与实验的比较
• 2.3 自旋弛豫时间的温度依赖关系
• 2.4 自旋弛豫时间对电场的依赖关系
• 2.5 小结
• 第三章 本征和p型GaAs量子阱中由Bir-Aronov-Pikus机制引起的自旋弛豫
• 3.1 理论模型
• 3.2 数值计算结果与分析
• 3.2.1 本征量子阱
• 3.2.2 p型量子阱
• 3.3 小结
• 第四章 高迁移率二维电子系统中自旋去相位对初始自旋极化的依赖关系
• 4.1 理论计算
• 4.2 实验简介
• 4.2.1 样品
• 4.2.2 测量与估算
• 4.3 零场相干自旋振荡
• 4.4 初始自旋极化对自旋弛豫和g因子的影响
• 4.4.1 变化的激发强度
• 4.4.2 固定的激发强度
• 4.4.3 初始自旋极化对g因子的影响
• 4.4.4 随温度的变化
• 4.5 小结
• 第五章 低温下n型GaAs量子阱中Singwi-Tosi-Land-Sj（?）lander局域场修正对自旋弛豫的影响
• 5.1 准二维局域场因子的计算
• 5.2 LFC对自旋弛豫/去相位的影响
• 5.3 小结
• 第六章 二维介观空穴系统中的自旋霍尔效应
• 6.1 理论模型
• 6.1.1 哈密顿量
• 6.1.2 格林函数方法
• 6.1.3 自旋霍尔系数
• 6.2 结果与分析
• 6.2.1 纯自旋流
• 6.2.2 自旋霍尔效应的鲁棒性
• 6.3 小结
• 第七章 三种自旋过滤器模型
• 7.1 周期性磁场调制的自旋量子输运:Aharonov-Bohm环结构的自旋过滤器
• 7.2 量子线双折结构的自旋过滤器
• 7.3 空穴Aharonov-Bohm环结构的自旋过滤器
• 7.4 小结
• 第八章 总结
• 附录A 电子-AC声子散射的计算方法
• 附录B BAP散射的计算方法
• 附录C 强Terahertz场引发的石墨烯中的赝自旋极化
• C.1 理论模型
• C.2 对称性分析
• C.3 主要结果
• 参考文献
• 硕博连读期间发表的论文
• 致谢