论文部分内容阅读
铁磁半导体Ga1-xMnxAs因为在自旋电子学器件中的潜在应用受到广泛关注。Ga1-xMnxAs以空穴为媒介而形成长程铁磁有序,因而可以通过光学或电学方法灵活控制其铁磁性,衍生了大量具有强大功能的新型概念器件。但是,Ga1-xMnxAs中的一些基本问题,如费米能级的位置及磁性起源至今仍存在争议,并且居里温度仍在室温以下,极大限制了它的应用。Ga1-xMnxAs广泛的应用前景和现存的诸多争议、问题使其成为目前备受关注的热点研究材料。电子自旋动力过程及其调控是自旋电子学领域非常重要的一个研究方向,并且自旋动力学机制对材料有很强的依赖关系,这也使之成为研究材料性质的一个有力工具。由于铁磁半导体Ga1-xMnxAs的复杂性,其电子自旋动力学过程还未得到充分研究。我们采用时间分辨磁光克尔技术系统研究了Ga1-xMnxAs在不同磁性掺杂区域(0.5%-15%)退火前后的电子自旋动力学行为。主要研究内容和结论如下: 1.对比研究了较大掺杂区域(x=0.5%-15%)的Ga1-xMnxAs在适当退火处理后的电子自旋动力学过程及其相关物理机制。对处于低掺杂区(x=0.5%,1%)的Ga1-xMnxAs,电子自旋弛豫过程分别由s-d交换散射和杂质散射下的Dyakonov-Perel(DP)机制主导。对适度掺杂(x=2%-5%)的Ga1-xMnx As,电子—电子库仑散射下的DP机制主导着电子自旋弛豫过程,同时p-d交换相互作用也参与其中发挥重要作用。电子—电子库仑散射作用的突显表明适度掺杂的Ga1-xMnxAs中由于高浓度空穴对杂质散射的屏蔽作用,使得电子弛豫受杂质散射的影响较小,这与通常大家对掺杂GaAs材料体系中电子自旋动力学过程的认识完全不同。 2.研究了适度掺杂非退火Ga1-xMnxAs(x=2%-5%)中的电子自旋动力学行为,并与退火处理的样品进行了对比。发现与退火后情况不同,非退火的Ga1-xMnxAs中s-d交换散射对电子自旋退相位过程有重要作用,并且s-d交换散射与p-d交换作用相互竞争,共同主导着电子自旋退相位过程。值得一提的是,即使在适度掺杂的非退火Ga1-xMnxAs样品中存在一定量间隙Mn,电子—电子库仑散射下的DP机制仍然对其电子自旋退相位过程其主导作用。 3.研究了退火后高Mn掺杂Ga1-xMnxAs(x=15%)中的电子自旋退相位机制。退火后,来自Mn离子的s-d交换散射机制受到强烈抑制,杂质散射下的DP机制和p-d交换相互作用主导着电子自旋退相位过程。由于过掺杂引起的无序直接影响着退火后重掺杂Ga1-xMnxAs中电子自旋退相位过程,如何降低这种无序是要获得高质量、强功能、高居里温度Ga1-xMnxAs薄膜丞待解决的问题。 上述结果对深入理解Ga1-xMnxAs中的电子自旋动力学行为及其物理机制,以及Ga1-xMnxAs材料中磁性杂质对电子自旋弛豫过程的影响具有重要价值,为实现基于Ga1-xMnxAs材料的自旋电子学器件的研究奠定了基础。