半导体二维电子气及三维拓扑绝缘体的圆偏振光致电流研究

发布时间：2020-06-08 00:59

【摘要】：自旋光电流是由圆偏振光或者线偏振光激发产生的自旋极化的光电流,它包含圆偏振光致电流和光致逆自旋霍尔电流两种光电流。圆偏振光致电流是研究材料自旋轨道耦合的有效手段,而光致逆自旋霍尔电流是研究材料自旋霍尔效应的有力工具。本文研究了半导体二维电子气在带间激发和子带间激发下产生的圆偏振光致电流,以及三维拓扑绝缘体中的光致逆自旋霍尔电流。主要研究结果如下:1.研究了 GaAs/AIGaAs二维电子气在带间激发和子带间激发下的产生的圆偏振光致电流随温度的变化。实验表明,在子带间激发下,分别由Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合引起的圆偏振光致电流随温度的增加而增大,而带间激发引起的圆偏振光致电流略微减小。我们通过三角阱中电子浓度随激发波长和温度的变化解释了该实验现象,即子带间激发引起电子浓度随温度上升而减小,而带间激发引起电子浓度随温度上升而增大,由此导致二者随温度变化趋势的不同。2.研究了三维拓扑绝缘体硒化铋的逆自旋霍尔效应电流,同时我们建立了一个模型,将表面拓扑态的逆自旋霍尔效应电流分离了出来。研究表明,所测得的逆自旋霍尔效应电流来源于表面态和二维电子气,且二者的逆自旋霍尔效应电流有着相反的符号。我们进一步测量了光功率由100 mW变化至300 mW及温度由77 K变化至300 K时的光致逆自旋霍尔效应电流,实验结果与模型计算结果完全吻合,进一步表明我们所建模型的正确性。此外,二维电子气的逆自旋霍尔电流随温度的变化规律表明其主要来源于非本征机制。3.研究了三维拓扑绝缘体硒化铋中由线偏振光激发产生的逆自旋霍尔效应电流及反常线偏振光致电流。我们提出了一种将硒化铋中线偏振光致电流、反常线偏振光致电流、逆自旋霍尔效应电流进行分离的方法,并研究了这些电流信号随温度的变化规律。同时,我们建立了一个物理模型来解释以及模拟硒化铋中由线偏振光引起的逆自旋霍尔效应电流。此外,通过测量反常线偏振光致电流随温度的变化,我们获得了光致动量各向异性随温度的变化关系。
【图文】：

晶胞,晶格常数

１．２邋ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ邋二维电子气逡逑ＧａＡｓ晶体是闪梓矿结构。闪辞矿结构的晶胞是由两类原子各自组成的面心逡逑立方晶格沿空间对角线方向位移四分之一体对角线长度构成的，如图１所示。逡逑ＧａＡｓ是直接带隙半导体，电子迁移率较高，有利于制备性能良好的太阳能电池逡逑等器件。逡逑ＧａＡｓ与ＡｌｘＧａｉ＿ｘＡｓ合金材料构成异质结构。ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ界面具有Ｃ２ｖ对逡逑称性，理想的ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ对称量子阱具有Ｄ２ｄ对称性。ＡｌＡｓ的晶格常数为逡逑０．５６６２邋ｎｍ，，ＧａＡｓ的晶格常数为０．５６５３邋ｎｍ，ＡｌＧａＡｓ的晶格常数介于二者。因逡逑１逡逑

圆偏振光,自旋电子,宏观现象,右旋圆偏振光

左旋圆偏振光和右旋圆偏振光激发的自旋电子自旋极化方向相反，因逡逑此圆偏振光激发自旋电子后４空间中的电子分布不平衡，引起实空间中的电流，逡逑如图２－１所示。逡逑（ａ）逦（ｂ）逦ｖ逦／逡逑ｅ１邋＼＼邋ＩｘＪＩ邋ｅ１逦0２邋＼邋＼邋ｊ邋：邋ｅ２逡逑（＊１／２）邋＼＼邋－Ｔ？邋（－１／２）逦（＋１／２）邋＼邋Ｗ邋Ｊ逡逑ｉｔ逡逑ｋｘ邋0邋ｋｘ邋ｋｘ逦ｏｋｘ邋ｋｘ逡逑图２－１逦（ａ）圆偏振光引起的带间激发（ｂ）圆偏振光引起的子带间激发逡逑从宏观现象学上讲，ＣＰＧＥ可以表示为：逡逑ｊｊＬ＝Ｔｊ％ＫＥ＞ｉＥ＼逦（２－５）逡逑Ｍ逡逑６逡逑
【学位授予单位】：福州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN383.2

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