半導(dǎo)體空穴自旋馳豫及鐵磁半導(dǎo)體Landau-Lifshitz-Gilbert方程的理論研究.pdf

1、自旋電子學(xué)是一門以固體材料中電子的自旋自由度作為信息載體與研究對(duì)象的學(xué)科，其中一個(gè)重要的分支為半導(dǎo)體自旋電子學(xué)。半導(dǎo)體自旋電子學(xué)涉及到半導(dǎo)體中自旋極化的產(chǎn)生、維持、操控以及探測(cè)等多個(gè)方面，而自旋極化的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)對(duì)這些目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)都是十分關(guān)鍵的。本論文主要討論Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體以及由其衍生的鐵磁半導(dǎo)體中體材料的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，具體包括Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體中的g因子、載流子自旋弛豫時(shí)間以及鐵磁半導(dǎo)體的載流子自旋壽命和磁矩運(yùn)動(dòng)方程等。
　　 我們首先

2、概述了自旋電子學(xué)的背景并簡單回顧了文獻(xiàn)中對(duì)半導(dǎo)體中電子自旋弛豫的研究，然后仔細(xì)介紹了半導(dǎo)體中空穴自旋弛豫的實(shí)驗(yàn)與理論方面研究進(jìn)展。接著，我們介紹了鐵磁半導(dǎo)體中的能帶理論、超快動(dòng)力學(xué)研究以及理論上描述磁矩演化的Landau-Lifshitz-Gilbert方程的發(fā)展，并重點(diǎn)介紹了方程中的Gilbert阻尼系數(shù)以及非絕熱參數(shù)的理論研究。
　　 在論文的第二章中，我們討論了一些常見半導(dǎo)體材料中不同能谷的自旋軌道耦合與g因子。我們用k·

3、p理論得到自旋軌道耦合形式并比較文獻(xiàn)中用k·p理論、緊束縛模型以及第一性原理計(jì)算等方法確定的常見Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體材料的自旋軌道耦合系數(shù)。此外，我們還介紹用k·p理論計(jì)算g因子的方法并在第三章中利用這種方法計(jì)算了閃鋅礦結(jié)構(gòu)GaAs與AlAs體材料中最低導(dǎo)帶L谷以及GaN中最低導(dǎo)帶X谷的g因子。我們發(fā)現(xiàn)GaAs與AlAs的L谷g因子具有明顯的各向異性，而GaN的X谷g因子則基本是各向同性的。其中X谷的g因子數(shù)值與L谷的橫向g因子都近似等于自由

4、電子g因子。接著我們利用sp3d5s*緊束縛模型計(jì)算導(dǎo)帶自旋劈裂，從而得到GaN中X谷的自旋軌道耦合系數(shù)0.29eV(A)，它比用sp3s*模型得到的結(jié)果要大一個(gè)量級(jí)。
　　 第四章中，我們首先給出了半導(dǎo)體體材料中的動(dòng)力學(xué)自旋Bloch方程。我們通過分析導(dǎo)帶、價(jià)帶之間的耦合并結(jié)合collinear表象與helix表象之間的變換解釋了D'yakonov-Perel'與Elliott-Yafet兩種電子自旋弛豫機(jī)制的來源，并介紹了引

5、起B(yǎng)ir-Aronov-Pikus自旋弛豫的電子-空穴自旋交換散射項(xiàng)。對(duì)于空穴系統(tǒng)，考慮到費(fèi)米面附近輕、重空穴之間的能量劈裂，我們忽略輕、重空穴之間的關(guān)聯(lián)，把helix表象的運(yùn)動(dòng)方程約化成關(guān)于輕、重空穴兩部分密度矩陣的形式。我們把這種做法下由散射項(xiàng)直接導(dǎo)致的自旋弛豫統(tǒng)一歸為空穴的Elliott-Yafet自旋弛豫機(jī)制，而把依賴于輕、重空穴帶自旋進(jìn)動(dòng)的自旋弛豫過程稱為D'yakonov-Perel’自旋弛豫過程。
　　 從第五章到

6、第八章，我們利用動(dòng)力學(xué)自旋Bloch方程方法具體研究GaAs與鐵磁GaMnAs體材料中的自旋/磁矩動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。在第五章中，我們分析了實(shí)驗(yàn)上測(cè)得的n型材料電子自旋弛豫時(shí)間在低溫下的濃度關(guān)系。通過計(jì)算光激發(fā)導(dǎo)致的熱電子效應(yīng)，我們證實(shí)實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到的弛豫時(shí)間極大值是由簡并、非簡并極限的過渡導(dǎo)致的，與此前的理論預(yù)言一致。
　　 第六章，我們利用動(dòng)力學(xué)自旋Bloch方程研究了本征型與p型GaAs體材料中的空穴自旋弛豫。在我們的計(jì)算中包含了諸

7、如空穴-雜質(zhì)、空穴-聲子、空穴-電子以及空穴-空穴等所有相關(guān)的散射。由于波函數(shù)與自旋劈裂能量都由對(duì)角化Kane哈密頓量得到，因此我們可以較為準(zhǔn)確的描述波函數(shù)混合引起的Elliott-Yafet自旋弛豫以及由自旋進(jìn)動(dòng)引起的D'yakonov-Perel’自旋弛豫的貢獻(xiàn)。我們發(fā)現(xiàn)Elliott-Yafet機(jī)制始終是空穴的主要自旋弛豫機(jī)制，這與價(jià)帶自身的強(qiáng)自旋軌道耦合有關(guān)。在本征材料中，我們?cè)谑覝叵碌玫降目昭ㄗ孕谠r(shí)間為110fs左右，與之

8、前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合得很好。我們的計(jì)算結(jié)果表明以往文獻(xiàn)中遺漏的輕、重空穴的帶內(nèi)自旋關(guān)聯(lián)(helix表象密度矩陣的非對(duì)角項(xiàng))以及空穴與光學(xué)聲子的非極化相互作用都是十分重要的。進(jìn)一步，我們仔細(xì)討論了不同溫度、濃度下的空穴自旋弛豫時(shí)間。我們發(fā)現(xiàn)隨著溫度降低，空穴的自旋弛豫時(shí)間可能延長一個(gè)量級(jí)以上。我們發(fā)現(xiàn)自旋弛豫時(shí)間在高溫下隨濃度上升單調(diào)下降，而低溫下卻呈現(xiàn)先上升后下降的非單調(diào)行為，這與庫侖散射在簡并、非簡并極限下的不同行為有關(guān)。在p型材料的研究

9、中，我們也預(yù)言了空穴自旋弛豫時(shí)間豐富的非單調(diào)溫度、濃度依賴關(guān)系。我們發(fā)現(xiàn)這種非單調(diào)性主要由雜質(zhì)散射強(qiáng)度變化引起并且受到屏蔽的影響，而在高溫下電聲散射也會(huì)有比較重要的貢獻(xiàn)。
　　 在第七章中，我們基于s-d交換模型推導(dǎo)了鐵磁半導(dǎo)體中的Landau-Lifshitz-Gilbert方程。我們把巡游電子的自旋軸取成局域、瞬時(shí)的磁矩方向，從而引入了自旋態(tài)之間的規(guī)范場(chǎng)耦合。在包含規(guī)范場(chǎng)相互作用的情況下，我們用非平衡格林函數(shù)方法推導(dǎo)了巡游電

10、子動(dòng)力學(xué)自旋Bloch方程，并在弛豫時(shí)間近似下通過求解方程得到巡游電子自旋極化對(duì)局域電子磁矩的自旋扭矩作用。在空間均勻體系中，我們發(fā)現(xiàn)除了自旋翻轉(zhuǎn)散射以外，自旋守恒散射也會(huì)通過D'yakonov-Perel’自旋弛豫機(jī)制對(duì)巡游電子的自旋弛豫時(shí)間產(chǎn)生修正進(jìn)而影響Gilbert阻尼扭矩，并且空間均勻的自旋流在自旋軌道耦合的作用下也會(huì)對(duì)Gilbert阻尼產(chǎn)生貢獻(xiàn)。當(dāng)磁矩存在空間梯度時(shí)，一階梯度項(xiàng)給出正比于自旋流大小的自旋扭矩，它包括直接的自旋

11、交換扭矩以及正比于非絕熱參數(shù)的橫向自旋交換扭矩，與之前文獻(xiàn)中的結(jié)果一致。在二階梯度下，我們得到了兩項(xiàng)有效磁場(chǎng)貢獻(xiàn)，其中一項(xiàng)為常規(guī)的自旋剛度項(xiàng)，而另外一項(xiàng)貢獻(xiàn)同時(shí)垂直于常規(guī)自旋剛度與磁矩方向。我們發(fā)現(xiàn)這項(xiàng)垂直自旋剛度會(huì)導(dǎo)致磁疇壁偏離理想的Néel結(jié)構(gòu)而出現(xiàn)螺旋形結(jié)構(gòu)。由于鐵磁半導(dǎo)體中的非絕熱參數(shù)較大，垂直自旋剛度會(huì)比較重要。
　　 接著我們?cè)诘诎苏轮杏脤?shí)際樣品參數(shù)具體計(jì)算了GaMnAs中Landau-Lifshitz-Gilber

12、t方程中的系數(shù)。由于這些系數(shù)都與載流子的自旋壽命有關(guān)，因此我們首先利用Zener模型通過數(shù)值求解動(dòng)力學(xué)方程計(jì)算了鐵磁相GaMnAs中的空穴自旋弛豫時(shí)間。由于空穴始終處于強(qiáng)簡并極限下，因此我們?cè)谟?jì)算中忽略了庫侖散射，溫度效應(yīng)通過磁矩Brillouin函數(shù)引入。從我們的計(jì)算結(jié)果來看，在p-d交換系數(shù)比較小的情況下，空穴的自旋弛豫時(shí)間隨溫度上升而單調(diào)下降，而在交換系數(shù)比較大的時(shí)候，空穴自旋弛豫時(shí)間先上升后下降。通過分析我們發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象的產(chǎn)生與

13、空穴帶之間的波函數(shù)混合隨Zeeman劈裂的變化有關(guān)。我們把空穴自旋弛豫時(shí)間代入到LLG系數(shù)的解析表達(dá)式中，得到的低溫非絕熱參數(shù)β在0.3左右，與實(shí)驗(yàn)值一致。隨著溫度升高到居里溫度附近，非絕熱參數(shù)顯著增大并可以超過1。在β＜1的區(qū)域，我們得到的Gilbert阻尼系數(shù)隨著溫度上升緩慢上升，數(shù)值以及溫度關(guān)系都與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)相符。在β＞1的區(qū)域，我們預(yù)言阻尼系數(shù)隨溫度上升而下降。此外，我們也計(jì)算了自旋剛度系數(shù)與垂直自旋剛度系數(shù)。我們發(fā)現(xiàn)垂直自旋剛度

14、系數(shù)也會(huì)和阻尼系數(shù)一樣呈現(xiàn)非單調(diào)行為。
　　 我們?cè)诘诰耪轮凶屑?xì)討論了等間距的π脈沖序列對(duì)(001)GaAs量子阱中電子自旋弛豫的影響。在包含所有相關(guān)散射的情況下，我們發(fā)現(xiàn)脈沖間距超過40ps時(shí)強(qiáng)、弱散射極限下的自旋弛豫時(shí)間基本都不受脈沖間距的影響。隨著脈沖間距縮短，電子的自旋弛豫時(shí)間可以顯著延長。計(jì)算結(jié)果表明自旋弛豫時(shí)間的溫度、濃度依賴關(guān)系與動(dòng)量弛豫時(shí)間基本一致，這是因?yàn)槊芗摩忻}沖成為抑制有效磁場(chǎng)非均勻擴(kuò)展的主要機(jī)制而散射的

15、主要作用則是提供自旋弛豫通道。我們發(fā)現(xiàn)在高遷移率、低溫、高/低電子濃度條件下，π脈沖序列對(duì)自旋弛豫時(shí)間的調(diào)節(jié)效果最強(qiáng)。
　　 最后我們還在第十章中介紹了一種在介觀尺度基于局域Rashba自旋軌道耦合設(shè)計(jì)的T形自旋晶體管模型。這種模型通過把Fano-Rashba效應(yīng)與T形結(jié)構(gòu)波導(dǎo)管的結(jié)構(gòu)反共振結(jié)合起來，利用Fano反共振點(diǎn)與結(jié)構(gòu)反共振點(diǎn)相靠近時(shí)造成的帶隙來減小器件關(guān)閉狀態(tài)的漏電流。與依靠單獨(dú)的Fano反共振點(diǎn)或結(jié)構(gòu)反共振點(diǎn)設(shè)計(jì)的晶