受限半導體納米系統(tǒng)中自旋動力學以及自旋調(diào)控的理論研究.pdf

1、在實現(xiàn)自旋電子學器件中有兩個非常重要的問題，即如何延長自旋去相干時間和擴散長度，以及如何有效的控制自旋；因此在物理上理解自旋弛豫/去相位和自旋擴散/輸運過程是非常必要的。本論文主要內(nèi)容集中在受限半導體納米結(jié)構(gòu)如量子點、量子線以及量子阱系統(tǒng)中的自旋弛豫/去相位過程以及量子阱系統(tǒng)的自旋擴散/輸運過程的研究，同時研究了THz場對兩維電子氣中自旋的調(diào)控作用，以及外稟自旋霍爾效應的動力學過程。 本文首先簡單的回顧自旋電子學的發(fā)展，主要集中

2、在半導體系統(tǒng)中自旋極化的產(chǎn)生、探測以及在半導體內(nèi)部的弛豫和輸運過程。然后回顧了半導體系統(tǒng)中對自旋弛豫過程有著重要影響的自旋軌道耦合的物理來源，給出如何從8×8 Kane模型中得到Dresselhaus、Rashba以及Elliott-Yafet (EY)自旋軌道耦合。然后給出電子系統(tǒng)在三維系統(tǒng)以及約束系統(tǒng)中哈密頓量的具體表示形式，其中包括電子-雜質(zhì)散射、電子-聲子散射以及電子-電子散射。接著回顧了導致自旋弛豫的各種機制以及理論上的處理方

3、法。對于簡單的兩能級系統(tǒng)，可以使用費米黃金規(guī)則和運動方程計算自旋弛豫/去相位時間。相比較而言，運動方程方法可以直接給出自旋極化的時間演化過程，可以擴展到包括了很多能級的系統(tǒng)中的自旋弛豫過程。而對于自旋系綜，導致自旋弛豫/去相位機制主要包括Elliott-Yafet機制、D’yakonov-Pelel’(DP)機制、Bit-Aronov-Pikus (BAP)機制、和原子核之間的超精細相互作用導致的自旋弛豫以及非均勻擴展引起的自旋弛豫/去

4、相位機制。然后回顧了使用動力學自旋Bloch方程在自旋弛豫/擴散方面的研究。 在對單體問題的研究中，先考慮的是量子點系統(tǒng)中的自旋弛豫過程。用完全對角化的方法求出包括了自旋軌道耦合在內(nèi)的量子點系統(tǒng)的波函數(shù)后，利用費米黃金規(guī)則求出在不同的能量本征態(tài)之間由電子-聲學聲子導致的弛豫時間。發(fā)現(xiàn)在GaAs量子點中電子-壓電聲子導致的自旋弛豫占主導地位。結(jié)果是指出以往所采用微擾方法僅僅求解Zeeman能級之間的自旋弛豫時間是不充分的：沒有考慮

5、的自旋軌道耦合引起的能量二階修正、高能級對低能級的波函數(shù)的修正，對自旋弛豫過程都有著非常重要的貢獻。同時詳細研究了自旋弛豫時間對磁場、量子點半徑、量子阱的阱寬以及溫度的依賴關(guān)系。接著我們研究了強THz場對兩維電子氣的調(diào)控作用。本研究用Floquet定理嚴格求解包括自旋軌道耦合的薛定諤方程，利用求出的波函數(shù)得到態(tài)密度以及自旋極化密度。發(fā)現(xiàn)THz場對態(tài)密度和自旋極化密度有非常大的影響，并且可以在垂直于THz電場方向上誘導出一個THz的磁矩。

6、指出這個效應可以用來把THz的電信號轉(zhuǎn)化成THz的磁信號。在對多體問題的研究中，通過求解動力學自旋Bloch方程，研究了量子線和量子阱系統(tǒng)中的自旋弛豫/去相位與自旋擴散/輸運問題。首先研究了InAs量子線中由可以通過電場調(diào)節(jié)的Rashba自旋軌道耦合所導致的自旋弛豫過程。發(fā)現(xiàn)在外加磁場方向垂直于量子線生長方向時，沿著量子線方向的自旋極化的自旋弛豫時間可以由界面電場調(diào)控；而當磁場沿著量子線方向，垂直于量子線生長方向的自旋極化的弛豫時間與界

7、面電場方向無關(guān)。同時，在量子線系統(tǒng)中的非均勻擴展可以用自旋進動頻率的均方差很好的描述。接著在等強度的Dresselhaus和Rashba自旋軌道耦合的GaAs量子阱中研究了不同的統(tǒng)計平衡態(tài)-基于Helix態(tài)的Helix統(tǒng)計與基于Collinear態(tài)的Collinear統(tǒng)計-對自旋弛豫的影響。本研究發(fā)現(xiàn)這兩種統(tǒng)計下的自旋弛豫時間幾乎沒有差別，并且自旋極化方向表現(xiàn)出很強的各向異性。在不考慮Dresselhaus自旋軌道耦合三次項的貢獻時，沿

8、著(110)方向的自旋弛豫時間是無窮長而其他方向的卻非常的短；即使考慮了三次項的貢獻，它也要遠比其他兩個方向的長。仔細討論了沿著(110)方向的自旋弛豫時間隨著外界條件的變化。 在輸運問題中，本研究采用一套新的數(shù)值計算方法自洽求解空間不均勻的動力學自旋Bloch方程及泊松方程，在計入所有散射特別是電子-電子散射以后重新研究在n型(001)-GaAs量子阱的自旋擴散問題。發(fā)現(xiàn)即使沒有外磁場時，自旋極化也會在擴散方向上有振蕩，并且振

9、蕩周期與外加電場無關(guān)。在散射足夠強的時候-內(nèi)稟的散射如電子-電子散射就已經(jīng)滿足了這個條件-不同動量的電子自旋具有相同的振蕩頻率以及相位，導致橫向的自旋注入長度和系綜的橫向注入長度相等。進一步研究了自旋擴散/輸運長度的散射、溫度、量子阱寬、磁場以及電場的依賴關(guān)系。接著研究了強度相近的Dresselhaus和Rashba自旋軌道耦合共同作用下各向異性對自旋輸運的影響。發(fā)現(xiàn)此時自旋擴散長度不僅僅對自旋極化方向，而且對自旋注入方向都表現(xiàn)出很強的

10、各向異性。在不考慮Dresselhaus自旋軌道耦合的三次項的貢獻并且線性的Dresselhaus和Rashba自旋軌道耦合強度相同時，如果自旋極化方向沿著(110)而注入方向任意，或者注入方向沿著(110)而自旋極化方向任意，自旋擴散長度都是無窮長。在考慮了三次方項的貢獻以后，這些自旋擴散長度雖然變?yōu)橛邢拗挡⑶译S著溫度和電子濃度減小，但是各向異性的性質(zhì)仍然被保留下來。另外，在改變Rashba強度時，由于Dresselhaus自旋軌道耦

11、合三次方項的貢獻，自旋擴散長度的最大值出現(xiàn)在Rashba強度略小于Dresslhaus強度時，而不是文獻中所認為的出現(xiàn)在兩者相等處。 最后研究了n型(001)-GaAs對稱量子阱中外稟自旋霍爾效應的動力學過程。得到穩(wěn)態(tài)的外稟自旋霍爾電導在僅僅考慮線性項的自旋軌道耦合時為零，而在考慮了三次方項的自旋軌道耦合后為一個非常小的值。這是由Dresselhaus/Rashba自旋軌道耦合引起的自旋進動引起的。同時，自旋進動和偏轉(zhuǎn)散射的共同