鐵磁金屬、稀磁半導(dǎo)體和半導(dǎo)體量子點(diǎn)中自旋電子學(xué)的光譜研究.pdf

1、磁性材料中微波光電壓的發(fā)現(xiàn)使得人們終于找到了利用電子自旋產(chǎn)生電能的途徑,同時(shí)它給傳統(tǒng)的有關(guān)靜磁學(xué)與自旋動(dòng)力學(xué)之間相互關(guān)系的問(wèn)題開(kāi)辟了新的研究方向。在這篇論文中,我們首先討論在分子束外延生長(zhǎng)的單晶Fe薄膜樣品中利用微波光電壓技術(shù)通過(guò)電學(xué)方法探測(cè)鐵磁共振的可能性。為了描述實(shí)驗(yàn)結(jié)果,我們把自旋整流模型推廣到存在磁晶各向異性的情形,擬合結(jié)果證明與已知的有關(guān)Fe薄膜中鐵磁共振的理論符合得很好,并精確地重現(xiàn)了其中的磁晶各向異性,展現(xiàn)了該技術(shù)的拓展性

2、和廣泛適用性。進(jìn)一步地,通過(guò)分析我們發(fā)現(xiàn),有關(guān)磁矩進(jìn)動(dòng)的相位信息可以通過(guò)光電壓的線型讀取出來(lái),這使得該技術(shù)有可能被用于探測(cè)相位相關(guān)的磁動(dòng)力學(xué)過(guò)程,因而對(duì)于目前自旋電子學(xué)器件的設(shè)計(jì)和應(yīng)用都具有重要的意義。接著我們把研究體系轉(zhuǎn)換到鐵磁半導(dǎo)體材料GaMnAs薄膜。通過(guò)微波光電壓技術(shù)我們系統(tǒng)測(cè)量了其中鐵磁共振的隨溫度的變化情況,為了把自旋整流模型推廣到垂直薄膜表面磁化的情形,我們推導(dǎo)了不同磁化狀態(tài)下光電壓的一般公式,所得結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)很好地吻合

3、。在p-d動(dòng)態(tài)交換相互作用的理論框架下,我們討論了實(shí)驗(yàn)得到的磁矩g因子、吉爾伯托衰減系數(shù)以及鐵磁共振線型非均勻展寬的溫度依賴關(guān)系,它們自洽地反映了GaMnAs體系鐵磁相的Zener模型起源的本質(zhì)。進(jìn)一步地,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)低場(chǎng)范圍的光電壓顯現(xiàn)出非同尋常的磁滯行為,通過(guò)Stoner-Wohlfarth模型,我們按照靜磁學(xué)中的成核過(guò)程描述了這一現(xiàn)象,將其歸結(jié)為磁化強(qiáng)度矢量本身的磁滯行為,同時(shí)磁輸運(yùn)測(cè)量結(jié)果的磁滯無(wú)關(guān)性與光電壓之間的強(qiáng)烈對(duì)比揭示了磁矩

4、進(jìn)動(dòng)相位的重要性。據(jù)此我們判斷微波光電壓技術(shù)不僅能夠高效地探測(cè)自旋激發(fā),還可對(duì)復(fù)雜的靜磁學(xué)過(guò)程作深入的研究。另一方面,以半導(dǎo)體量子點(diǎn)為代表的小量子結(jié)構(gòu)為精確的自旋調(diào)控提供了良好的客體環(huán)境。利用顯微熒光光譜技術(shù),我們對(duì)半導(dǎo)體量子點(diǎn)體系中自旋相關(guān)的激子能態(tài)和相互作用做了研究。首先我們報(bào)道根據(jù)單個(gè)InAs/GaAs量子點(diǎn)的激子能級(jí)隨磁場(chǎng)的變化情況得到的InAs量子點(diǎn)中激子的g因子同其能量的依賴關(guān)系,并由此探討量子點(diǎn)工藝參數(shù)的重要性。接下來(lái)我們

5、轉(zhuǎn)換到CdSe/ZnSe量子點(diǎn)體系。對(duì)Mn摻雜的樣品,為了在引入s-d交換相互作用導(dǎo)致的巨塞曼效應(yīng)的同時(shí)不大幅犧牲量子點(diǎn)的熒光效率,我們?cè)O(shè)計(jì)了CdSe/(3 monolayers)ZnMnSe/ZnSe的三明治結(jié)構(gòu),實(shí)驗(yàn)證明其量子效率遠(yuǎn)高于CdSe/ZnMnSe結(jié)構(gòu)。根據(jù)光譜特征,我們提出一種不同于之前報(bào)道的光激發(fā)載流子的弛豫途徑。對(duì)于非摻雜樣品,為了研究點(diǎn)間的耦合效應(yīng),我們制備了量子點(diǎn)分子(為雙層量子點(diǎn)結(jié)構(gòu))樣品,并通過(guò)激子基態(tài)的分裂