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自旋电子学以自旋自由度为研究对象,是一个多学科交叉的新兴研究领域并在近年取得了令人瞩目的进展。半导体结构是凝聚态物理研究的重要内容之一,将其与自旋电子学相结合形成的半导体自旋电子学不仅具有丰富的物理内涵,而且能与当今最先进最精密的半导体制造工艺相融合,有望发展新一代低功耗、高速度、高集成度的自旋电子学器件。半导体自旋电子学研究的主要目的是利用自旋做为信息载体,以电子的自旋自由度来代替传统电子学器件所用的电子电荷属性。因此,深入了解半导体结构中的自旋-轨道耦合(Spin Orbit Coupling-SOC)性质以实现电子自旋的注入、探测和操控就成为了这一领域的重要研究内容。
半导体光谱是研究半导体结构性质的重要技术手段,其中半导体超快光谱的研究内容涵盖半导体中激发、弛豫和复合等许多基本物理过程,是研究半导体结构中自旋动力学特性、分析自旋-轨道祸合性质的重要方法。以时间分辨Kerr/Faraday旋转技术为核心、以电子学和低温磁场设备为辅助建立的超快光学实验室是本论文所进行的半导体结构中自旋-轨道耦合性质实验研究的平台。本论文的主要内容和研究成果包括:
首次利用时间分辨Kerr旋转(Time Resolved Kerr Rotation-TRKR)技术研究横向磁场作用下的(001)晶向生长的GaAs/AlGaAs二维电子气中的电子自旋动力学过程,并由此测量面内自旋寿命的各向异性。通过提高温度或激发光的功率改变电子浓度,研究了电子浓度对Rashba项和Dresselhaus项相对强度的影响。研究结果显示二维电子气的电子浓度强烈地影响Rashba自旋轨道耦合项。研究成果发表在Applied Physics Letters90,112111(2007)。随后实验中,在无外电场的情况下观察到了(001)GaAs/AlGaAs非对称量子阱面内面内电子g因子绝对值｜g｜的各向异性情况并研究了其随温度的变化规律。
首次报道了室温下C(0001)方向生长的GaN/AlGaN二维电子气中面内自旋定向相关的自旋分裂性质的实验研究。不论是通过时间分辨Kerr旋转(TRKR)测试技术获得的该体系中较短的自旋弛豫时间(τs=14ps)还是带间跃迁导致的显著的圆光电流效应(Circular Photogalvanic Effect-CPGE)电流都证明了在这一体系中存在着相当大的自旋分裂。监测CPGE电流所得的实验结果首次明确展示了在这一体系中面内白旋分裂的各向同性性质。以往大部分的光自旋定向研究工作都集中在诸如GaAs之类的窄禁带半导体领域。我们的这一研究成果是对深入理解宽禁带半导体低维结构中自旋轨道耦合性质的新贡献。研究成果发表在Applied Physics Letters91,252105(2007)。
在GaAsN材料的研究项目中,我们首次利用时间分辨Kerr旋转(TRKR)实验技术实验测量得到了室温下稀氮半导体材料中导电电子g因子的精确值。一系列的研究成果证实了在GaAs体材料中引入少量的N组分就会明显改变样品中导电电子的g因子。这些成果将加深我们对稀氮组分GaAsN材料中自旋和磁光特性的理解。研究成果发表在Applied Physics Letters95,041911(2009)。
在为期一年的中法联合培养博士生项目中,作者系统学习了稳态光致荧光和时间分辨光致荧光光谱实验技术。稳态光致荧光光谱(PL)和时间分辨光致荧光光谱(TRPL)实验被用于研究一系列形状和尺寸可控的Ⅱ型CdTe/CdSe/CdTe异质结纳米棒的光学性质。来自电荷分离能带结构的光致荧光能量和载流子寿命可以通过改变纳米棒能带带边的特性来实现。我们的结果显示了尺寸相关的由Ⅰ型直接跃迁(CdSe～600nm)向Ⅱ型间接跃迁(CdSe/CdTe)转变的过程,并且得到了异质结纳米棒中电荷分离所需的合适尺寸(没有Ⅰ型跃迁)。5K温度下,在Ⅱ型间接跃迁光谱范围内观察到了超过1000ns的荧光衰退时间,且此荧光衰退时间随荧光波长的增加而增加。此种结果可以用Ⅱ型能带结构中量子限制效应改变而造成电子和空穴的波函数重叠发生变化来分析。部分研究成果在已整理成文Optical characterization of type-Ⅱ CdTe/CdSe/CdTe heterostructure nanorods并被Journal of Physics:Conference Series,International Conference on Optics ofExcitons in Confined Systems,(2009)接收。此系统中衰退动力学和衰退时间与荧光波长关系的进一步的实验和理论分析正在进行中。