【摘要】：目前,對(duì)材料高性能的要求,使得材料自旋相關(guān)物理機(jī)制的分析研究變得愈加重要。偏振光電流效應(yīng)是一種與空間或時(shí)間反演不對(duì)稱密切相關(guān)的物理現(xiàn)象,是用來表征自旋相關(guān)的物理性質(zhì)的有效方法,本論文研究了半導(dǎo)體量子阱及有機(jī)薄膜中的偏振光電流現(xiàn)象。論文主要分成三大部分,第一部分是利用CoFeB/MgO鐵磁電極和半導(dǎo)體量子阱組成自旋發(fā)光二極管結(jié)構(gòu),研究了平面極化和垂直極化自旋發(fā)光二級(jí)管中偏振光電流的差異。第二部分是通過未摻雜的InGaAs/AlGaAs多量子阱中圓偏振光電流,研究了面內(nèi)電場(chǎng)影響的自旋輸運(yùn)過程;第三部分是初步地研究了有機(jī)薄膜中偏振光電流,并與偏振光致發(fā)光譜進(jìn)行比較分析。本論文的主要研究結(jié)果如下:1.我們通過對(duì)CoFeB/MgO鐵磁電極和GaAs量子阱組成自旋發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,在室溫下測(cè)量到圓偏振極化的光電流。通過對(duì)自旋發(fā)光二極管角度相關(guān)偏振光電流的研究,發(fā)現(xiàn)圓偏振極化光電流的大小與入射光和鐵磁電極極化方向之間的相對(duì)位置有關(guān),我們認(rèn)為圓偏振極化光電流來源于鐵磁電極的自旋過濾效應(yīng)。同時(shí),我們提出唯象的理論模型,用來驗(yàn)證了面內(nèi)極化樣品中關(guān)于鐵磁電極磁矩方向測(cè)量的準(zhǔn)確性,并將圓偏振光電流對(duì)于磁矩的測(cè)量推廣到具有三維方向磁矩的鐵磁電極上,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論模型吻合的很好。2.利用圓偏振光電流系統(tǒng)地研究了平面內(nèi)極化的GaAs量子阱自旋發(fā)光二極管和垂直平面極化的InGaAs量子阱自旋發(fā)光二極管,我們發(fā)現(xiàn)不同極化方向自旋發(fā)光二極管圓偏振光電流對(duì)于磁場(chǎng)、電場(chǎng)、溫度不同的依賴特性。在磁場(chǎng)的研究中,圓偏振極化光電流表現(xiàn)出磁滯回線特性,驗(yàn)證了鐵磁電極的自旋過濾效應(yīng);通過電場(chǎng)依賴關(guān)系的研究,我們發(fā)現(xiàn)圓偏振極化度的電場(chǎng)依賴關(guān)系與鐵磁電極極化方向有關(guān),通過對(duì)其中原因進(jìn)行討論并進(jìn)行計(jì)算分析,發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中觀察到的差異現(xiàn)象可能來源于自旋弛豫各向異性;通過溫度依賴關(guān)系的研究,獲得了更多自旋物理相關(guān)的內(nèi)在信息,但是由于溫度依賴關(guān)系的復(fù)雜性,因此,需要進(jìn)一步的工作來闡明。3.通過圓偏振光電流研究了未摻雜InGaAs/AlGaAs多量子阱。一方面,通過圓偏振光電流隨角度的變化關(guān)系,研究了未摻雜InGaAs/AlGaAs多量子阱中各向異性的自旋劈裂,并推測(cè)這個(gè)平面內(nèi)的自旋劈裂可能來源于應(yīng)力等因素;另一方面,通過圓偏振光電流系統(tǒng)地研究了不同取向電場(chǎng)對(duì)于自旋輸運(yùn)的影響,發(fā)現(xiàn)不同方向電場(chǎng)對(duì)于自旋輸運(yùn)的影響不同。通過計(jì)算分析,推測(cè)不同方向電場(chǎng)的在自旋弛豫中的主導(dǎo)機(jī)制不同,利用熱聲子效應(yīng)和Rashba效應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行了很好的解釋。4.通過偏振光電流研究有機(jī)材料中內(nèi)在的物理機(jī)制,我們發(fā)現(xiàn)了與文獻(xiàn)報(bào)道不一樣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,并通過理論分析,對(duì)已有的實(shí)驗(yàn)配置進(jìn)行優(yōu)化,能夠準(zhǔn)確地測(cè)量得到線偏振光電流和圓偏振光電流的差值信號(hào)。結(jié)合偏振光致發(fā)光光譜進(jìn)行比較研究,初步推測(cè)差值信號(hào)可能來源于有機(jī)材料特有的單線態(tài)和三線態(tài)相關(guān)的物理過程。同時(shí),我們對(duì)有機(jī)薄膜中偏振光電流隨電壓的變化關(guān)系進(jìn)行了深入研究,發(fā)現(xiàn)偏振光電流差值隨電壓具有非線性變化趨勢(shì)。
【學(xué)位授予單位】：河南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：O471.1
【圖文】：

圖 1-1 自旋電子學(xué)材料、物理和器件研究涵蓋的內(nèi)容[11]。1.1 自旋軌道耦合效應(yīng)1.1.1 自旋軌道耦合效應(yīng)簡(jiǎn)介電子具有自旋 s =1/2 和磁矩 μ = e 2mc，由于塞曼耦合效應(yīng)，電子自旋和磁場(chǎng)可以發(fā)生相互作用。電子自旋和外電場(chǎng)也可以發(fā)生相互作用，它是通過所謂的自旋軌道耦合(spin-orbit coupling, SOC)來實(shí)現(xiàn)的。在原子物理中，通過對(duì)狄拉克方程作非相對(duì)論近似，人們將自旋軌道耦合效應(yīng)項(xiàng)添加在哈密頓量中。這種方法產(chǎn)生了泡利自旋軌道耦合項(xiàng)( )202 24soH p Vm cσ∧= × (1-1)這里 為普朗克常數(shù)，m 為自由電子質(zhì)量，c 為光速，p 為動(dòng)量算符，V0為

而且晶格勢(shì)場(chǎng)與晶體結(jié)構(gòu)關(guān)系密切，因此，晶體中的自旋軌道耦合作用取決于體系的對(duì)稱性。圖1-2 是具有 C2v對(duì)稱性的二維體系的能帶劈裂和費(fèi)米面位置自旋取向的示意圖。圖 1-2 具有 C2v對(duì)稱性的二維體系的能帶劈裂和費(fèi)米面位置自旋取向的示意圖：（a）只存在Rashba 或 Dresselhaus 自旋軌道耦合的能帶劈裂圖；（b）α≠0，β = 0 時(shí)費(fèi)米面位置自旋取向的示意圖；（c）α = 0，β≠ 0 時(shí)費(fèi)米面位置自旋取向的示意圖；（d）同時(shí)存在 Rashba 或Dresselhaus 自旋軌道耦合的能帶劈裂圖；（e）α≠ 0，β≠ 0，α≠ β 時(shí)費(fèi)米面位置自旋取向的示意圖，箭頭表示自旋取向[14]。

這些實(shí)驗(yàn)表明了在 III-V 族(001)和(111)量子阱中，通過調(diào)控 Rashba 來補(bǔ)償Desselhaus 從而增加自旋弛豫壽命的可能性。圖1-3 在III-V量子阱(QWs)中有(001)，(110)和(111)方向，體反演不對(duì)稱Dresselhaus項(xiàng)BD(k)，和結(jié)構(gòu)反演不對(duì)稱 Rashba 項(xiàng) BR(k)[17]。

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本文編號(hào)：2785265