電子自旋馳豫和隧穿特性研究.pdf

1、自旋弛豫能夠引起電子的自旋平衡，電子的自旋馳豫是自旋電子學(xué)中的一個重要的物理現(xiàn)象。對電子自旋馳豫過程的研究不僅具有重要的基礎(chǔ)理論意義，而且對于設(shè)計相關(guān)的自旋量子器件具有重要的指導(dǎo)意義。因此，近年來吸引了大量科研人員對電子自旋馳豫過程進(jìn)行實驗和理論研究。 在本文中，我們運用Elliot-Yafet(EY)和D'yakonov-Perel(DP)自旋馳豫機制從理論上對不同溫度下的n-GaAs中導(dǎo)帶電子的自旋馳豫時間進(jìn)行了計算。我們對

2、電子自旋馳豫時間的計算基于對占支配地位的電子動量馳豫時間的計算，并且考慮了電子的相關(guān)散射機制如：中性雜質(zhì)散射、電離雜質(zhì)散射、壓電散射和光學(xué)聲子散射在不同溫度下對電子自旋馳豫時間的影響。同時把電子自旋馳豫時間看成溫度、電子能量和施主濃度與受主濃度比值的函數(shù)，研究以上三種因素對電子自旋馳豫時間的影響。在不同溫度下起主導(dǎo)作用的電子散射機制不同，占支配地位的電子自旋馳豫機制也不相同。對于半導(dǎo)體體材料，在低溫時EY自旋馳豫機制起主導(dǎo)作用，而高溫時

3、DP自旋馳豫機制起主要作用，隨著溫度的升高電子的自旋馳豫機制發(fā)生了轉(zhuǎn)化，電子自旋馳豫時間也由納秒減小到皮秒數(shù)量級。在溫度不變時，電子自旋馳豫時間隨著電子能量的增加或施主濃度與受主濃度比值的減小而單調(diào)減小，雖然電子散射機制和自旋馳豫機制不同但電子能量的增加或施主濃度與受主濃度比值的減小對電子自旋馳豫時間的影響是一致的。計算中我們考慮了中性雜質(zhì)散射和電子能量對電子自旋馳豫時間的影響，計算結(jié)果與實驗值基本吻合，彌補了Song等人在低溫時計算值

4、與實驗值相差很大的誤差。從而表明在低溫下中性雜質(zhì)散射對電子自旋馳豫時間有重要的影響不能被忽略。研究發(fā)現(xiàn)可以通過控制電子能量或施主濃度與受主濃度比值來控制電子自旋馳豫時間，為開發(fā)新型的自旋電子器件提供了理論依據(jù)。 近來，在非磁半導(dǎo)體的異質(zhì)結(jié)中由于自旋軌道耦合效應(yīng)而引起的電子自旋特性的研究成為自旋電子學(xué)領(lǐng)域一個研究熱點。對自旋軌道耦合效應(yīng)的研究有助于我們更好地了解電子自旋和電荷動力學(xué)之間的關(guān)系，為實現(xiàn)在沒有外磁場的介觀系統(tǒng)中通過電場

5、來控制電子的自旋和自旋流提供了可能。這對于自旋量子器件的設(shè)計和自旋量子信息的存貯具有重要的理論意義。 考慮了Dresselhaus自旋軌道耦合效應(yīng)，研究了具有重要應(yīng)用價值和基礎(chǔ)理論研究意義的磁調(diào)制結(jié)構(gòu)，即鐵磁/半導(dǎo)體/鐵磁異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的二維波導(dǎo)自旋輸運性質(zhì)。從理論上計算了電子隧穿Fe/GaSb/Fe和Fe/InSb/Fe異質(zhì)結(jié)的隧穿概率和渡越時間。研究發(fā)現(xiàn)，無論是自旋向上還是自旋向下的電子，當(dāng)電子隧穿兩種不同的異質(zhì)結(jié)構(gòu)時，它們的隧

6、穿概率和渡越時間都表現(xiàn)出了共振的特性。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，自旋向上和自旋向下的電子的渡越時間并不隨著半導(dǎo)體長度的增加而線性的增加，渡越時間表現(xiàn)出量子尺寸的臺階效應(yīng)。比較發(fā)現(xiàn)Dresselhaus自旋軌道耦合效應(yīng)不同于Rashba自旋軌道耦合效應(yīng)，耦合強度的增加不能明顯的延長電子的渡越時間而減少了自旋向上的電子渡越時間的臺階數(shù)量但對于自旋向下的電子影響很小，這種影響隨著半導(dǎo)體長度的增加而減弱。同時發(fā)現(xiàn)，由于Dresselhaus自旋軌道耦合效

7、應(yīng)的特點，我們不僅可以通過調(diào)節(jié)半導(dǎo)體長度和自旋軌道的耦合強度來調(diào)節(jié)自旋電子的隧穿概率和渡越時間，也可以通過平面波矢來調(diào)節(jié)它們。在Dresselhaus自旋軌道的耦合作用下，自旋向上和自旋向下的電子隧穿異質(zhì)結(jié)的隧穿機制不同，因此自旋向上和自旋向下的電子隧穿異質(zhì)結(jié)的隧穿概率和渡越時間不同；它們之間的差別隨著半導(dǎo)體長度的增加表現(xiàn)的更加明顯。這些研究結(jié)論有助于我們把自旋向上和自向下的電子通過渡越時間區(qū)分開，這對于設(shè)計自旋過濾器件和提高電子的自旋