半导体量子阱及有机薄膜中的偏振光电流研究

发布时间：2020-08-08 07:30

【摘要】：目前,对材料高性能的要求,使得材料自旋相关物理机制的分析研究变得愈加重要。偏振光电流效应是一种与空间或时间反演不对称密切相关的物理现象,是用来表征自旋相关的物理性质的有效方法,本论文研究了半导体量子阱及有机薄膜中的偏振光电流现象。论文主要分成三大部分,第一部分是利用CoFeB/MgO铁磁电极和半导体量子阱组成自旋发光二极管结构,研究了平面极化和垂直极化自旋发光二级管中偏振光电流的差异。第二部分是通过未掺杂的InGaAs/AlGaAs多量子阱中圆偏振光电流,研究了面内电场影响的自旋输运过程;第三部分是初步地研究了有机薄膜中偏振光电流,并与偏振光致发光谱进行比较分析。本论文的主要研究结果如下:1.我们通过对CoFeB/MgO铁磁电极和GaAs量子阱组成自旋发光二极管结构进行研究,在室温下测量到圆偏振极化的光电流。通过对自旋发光二极管角度相关偏振光电流的研究,发现圆偏振极化光电流的大小与入射光和铁磁电极极化方向之间的相对位置有关,我们认为圆偏振极化光电流来源于铁磁电极的自旋过滤效应。同时,我们提出唯象的理论模型,用来验证了面内极化样品中关于铁磁电极磁矩方向测量的准确性,并将圆偏振光电流对于磁矩的测量推广到具有三维方向磁矩的铁磁电极上,实验结果与理论模型吻合的很好。2.利用圆偏振光电流系统地研究了平面内极化的GaAs量子阱自旋发光二极管和垂直平面极化的InGaAs量子阱自旋发光二极管,我们发现不同极化方向自旋发光二极管圆偏振光电流对于磁场、电场、温度不同的依赖特性。在磁场的研究中,圆偏振极化光电流表现出磁滞回线特性,验证了铁磁电极的自旋过滤效应;通过电场依赖关系的研究,我们发现圆偏振极化度的电场依赖关系与铁磁电极极化方向有关,通过对其中原因进行讨论并进行计算分析,发现实验中观察到的差异现象可能来源于自旋弛豫各向异性;通过温度依赖关系的研究,获得了更多自旋物理相关的内在信息,但是由于温度依赖关系的复杂性,因此,需要进一步的工作来阐明。3.通过圆偏振光电流研究了未掺杂InGaAs/AlGaAs多量子阱。一方面,通过圆偏振光电流随角度的变化关系,研究了未掺杂InGaAs/AlGaAs多量子阱中各向异性的自旋劈裂,并推测这个平面内的自旋劈裂可能来源于应力等因素;另一方面,通过圆偏振光电流系统地研究了不同取向电场对于自旋输运的影响,发现不同方向电场对于自旋输运的影响不同。通过计算分析,推测不同方向电场的在自旋弛豫中的主导机制不同,利用热声子效应和Rashba效应对实验现象进行了很好的解释。4.通过偏振光电流研究有机材料中内在的物理机制,我们发现了与文献报道不一样的实验现象,并通过理论分析,对已有的实验配置进行优化,能够准确地测量得到线偏振光电流和圆偏振光电流的差值信号。结合偏振光致发光光谱进行比较研究,初步推测差值信号可能来源于有机材料特有的单线态和三线态相关的物理过程。同时,我们对有机薄膜中偏振光电流随电压的变化关系进行了深入研究,发现偏振光电流差值随电压具有非线性变化趋势。
【学位授予单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O471.1
【图文】：

自旋电子学,器件研究,物理,自旋轨道耦合

图 1-1 自旋电子学材料、物理和器件研究涵盖的内容[11]。1.1 自旋轨道耦合效应1.1.1 自旋轨道耦合效应简介电子具有自旋 s =1/2 和磁矩 μ = e 2mc，由于塞曼耦合效应，电子自旋和磁场可以发生相互作用。电子自旋和外电场也可以发生相互作用，它是通过所谓的自旋轨道耦合(spin-orbit coupling, SOC)来实现的。在原子物理中，通过对狄拉克方程作非相对论近似，人们将自旋轨道耦合效应项添加在哈密顿量中。这种方法产生了泡利自旋轨道耦合项( )202 24soH p Vm cσ∧= × (1-1)这里为普朗克常数，m 为自由电子质量，c 为光速，p 为动量算符，V0为

示意图,自旋取向,费米面,劈裂

而且晶格势场与晶体结构关系密切，因此，晶体中的自旋轨道耦合作用取决于体系的对称性。图1-2 是具有 C2v对称性的二维体系的能带劈裂和费米面位置自旋取向的示意图。图 1-2 具有 C2v对称性的二维体系的能带劈裂和费米面位置自旋取向的示意图：（a）只存在Rashba 或 Dresselhaus 自旋轨道耦合的能带劈裂图；（b）α≠0，β = 0 时费米面位置自旋取向的示意图；（c）α = 0，β≠ 0 时费米面位置自旋取向的示意图；（d）同时存在 Rashba 或Dresselhaus 自旋轨道耦合的能带劈裂图；（e）α≠ 0，β≠ 0，α≠ β 时费米面位置自旋取向的示意图，箭头表示自旋取向[14]。

反演,不对称,量子阱,方向

这些实验表明了在 III-V 族(001)和(111)量子阱中，通过调控 Rashba 来补偿Desselhaus 从而增加自旋弛豫寿命的可能性。图1-3 在III-V量子阱(QWs)中有(001)，(110)和(111)方向，体反演不对称Dresselhaus项BD(k)，和结构反演不对称 Rashba 项 BR(k)[17]。

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