电子自旋弛豫机理研究

收稿日期:2007-07-15电子自旋弛豫机理研究

吴 羽

(广州大学实验中心,广东广州510006)

摘 要:确定电子自旋稳定性的最重要的性质是自旋弛豫时间,文中介绍了DP、EY、BAP等三种重要的自旋弛豫机制以及它们的实验进展,为室温下可以使用的自旋电子器件设计提供了重要依据.

关键词:自旋弛豫;电子;空穴;自旋电子器件

[中图分类法]T N14 [文献标识码]A [文章编号]1003-6180(2007)04-0019-02

20世纪后半期,基于半导体硅的电子产业取得了突飞猛进的发展和极为广泛的应用.然而,科学家发现,当半导体组件减小到纳米尺度后,许多宏观特性丧失,使得基于电子的粒子性设计的传统微电子器件不能再有效工作,而此时电子自旋的作用突显出来.人们正设法利用电子的自旋自由度来设计量子器件.半导体自旋电子学希望利用半导体中的电子和空穴的自旋自由度来实现自旋电子器件和传统电子器件的集成制造.已经证明,高的自旋极化注入效率、长的自旋弛豫时间、自旋输运、控制和自旋检测,使半导体自旋电子器件可以执行新的功能.

为了利用电子的自旋来储存和处理信息,要求电子自旋比较稳定,不容易受干扰.确定电子自旋稳定性的最重要的性质是其自旋弛豫时间.当自旋发生弛豫的时候,储存在自旋中的编码信息会丢失,因此,希望电子自旋的弛豫时间越长越好.这样,研究自旋弛豫,寻求各种办法来控制自旋弛豫,使得自旋能够保持足够长的记忆时间成为人们研究的热点.人们对半导体中的电子自旋弛豫已进行过许多研究,目前人们普遍认同三种弛豫机制,D yakonov-Perel(DP)机制、Elliott-Yafet(EY)机制和Bir-Aronov-Pikus(BAP)机制.

1 DP机制

DP机制是源于中心反演不对称系统的自旋-轨道相互作用,它使得导带的自旋分裂.这一分裂等效于存在一个与波矢相关的有效磁场,驱使自旋围绕它进动.而载流子与载流子、声子、杂质等的散射作用导致波矢的随机化,从而导致有效磁场的随机化,则总体的自旋极化就会随之衰减,即产生自旋极化弛豫.因此,电子自旋弛豫时间与动量弛豫时间成反比,称为 运动性减慢 .当散射事件发生的越频繁,这种 运动性减慢 作用越强,自旋弛豫时间越长.L.M unoz根据DP机制推出量子阱中电子的自旋弛豫时间[1]

1

s D P=

2 2E12k B T

E g 2

p.(1)其中 = -3(E g)1/2(2m*)3/2,m*是有效质量, 是分裂系数,E le是量子阱中第一电子束缚态能量,E g是带隙能量.

2 EY机制

Elliott-Yafet机制是基于自旋-轨道耦合,使具有相反自旋量子数的波函数彼此耦合,具有确定自旋方向和不确定动量的自旋本征态不再存在.这样,动量散射过程能直接导致自旋的翻转散射.由于自旋轨道耦合相互作用,导带中电子的哈密顿量出现一个由自旋轨道耦合相互作用引入的相互作用能H EY=

4m e2c2

V(r)

r L S.

其中m e是电子的有效质量,V(r)为载流子的散射势,L、S分别表示轨道角动量和自旋角动量.

Atsushi Tackeuchi等人在忽略了能量的依赖关系以后计算出量子阱中EY弛豫机制决定的自旋弛豫时间为[2]

1

s

EY=

8

9

(

E g+

)2(1-

m*

m0

)2

E1e k B T

E2g

1

p. (2)其中 为自旋分裂能量(对于GaAs, =0.34eV).

DP机制和EY机制最大的区别在于它们对动量弛豫时间 p有相反的依赖关系.增强散射强度会使EY机制更有效,而DP机制的作用将减弱.事实上,在EY过程中碰撞散射会使自旋翻转,碰撞越剧烈,自旋翻转几率越大.而DP机制中碰撞通过波矢方向的变化来改变电子的有效磁场,从而间接改变自旋进动的方向.

3 BAP机制

在电子-空穴交换散射中发现,空穴动量散射较强,它引起电子的自旋翻转散射.即空穴自旋以有效磁场作用于电子自旋,使得电子进动,当空穴动量弛豫速率大于有效磁场的进动速率时,即当电子自旋还没有进动完一个周期前空穴动量就

19

改变,则交换散射作用使得电子自旋翻转,那么电子自旋弛豫又回到 运动性减慢 的DP模式.对空穴简并情况,自旋弛豫速率有如下形式[3]:

1 s BAP=3

V k k B T

V B F

N p a B3 (3)

其中 0是如交换分裂参数,N p是空穴浓度.

BAP机制主要在大量空穴存在时起主导作用,对n型半导体,由于大量电子的存在使得电子空穴快速复合,BAP作用就被阻碍了.

4 实验研究

由于自旋弛豫时间对物质参数有不同的依赖关系,人们往往通过自旋弛豫时间与维数、温度、掺杂浓度、阱宽等参数的关系来判断是哪种机制在自旋弛豫过程中起主导作用.早期关于自旋弛豫的工作集中在体材料上,Pil H un So ng和K. W.Kim[4]根据EY、DP、BAP机制以温度和掺杂浓度作为参量,理论上计算了n-型以及p-型GaAs、GaSb、InAs、InSb等体材料的导带电子自旋弛豫时间,并比较了各弛豫机制在不同条件下的作用.发现当上述四种材料为n-型掺杂,受主浓度为N A=5 1013cm-3,施主浓度N D在1014 ~1020cm-3之间变化时,DP机制主要作用于低温至高温,而在较低的温度下,EY机制占主导地位.当上述四种材料为p-型掺杂,施主浓度N D= 5 1013cm-3,受主浓度N A在1014~1020cm-3之间变化时,BAP机制主要作用于低温和高受主浓度下,DP机制主要作用于高温和低受主浓度下.

半导体中的自旋弛豫,维数的变化对自旋弛豫影响很大.Tacheuchi等[5]利用利用瞬态饱和吸收技术测量了不同阱宽下无掺杂GaAs/AlGaAs多量子阱材料和InGaAs/InP多量子阱材料中电子的自旋弛豫时间.实验发现电子的自旋弛豫时间跟束缚能有关,并且有,这与根据DP机制推导出的理论关系式相近,因此得出室温下GaAs/AlGaAs多量子阱中电子自旋的主导弛豫机制是DP机制.实验还测得带隙是GaAs/AlGaAs量子阱的一半的In-GaAs/InP量子阱中电子的自旋弛豫时间是5ps,并且电子的自旋弛豫时间随电子束缚能的变化而变化,这说明在窄带隙材料InGaAs/InP中占主导地位的是EY弛豫机制.对比量子线材料和量子阱材料的自旋弛豫时间,T.Sogawa[6]等人发现低温(15~80K)下,在一维结构的材料中电子的自旋弛豫速率降低了.他们测量了GaAs/AlGaAs量子线材料中自旋极化的光致荧光的激子的光谱和它的自旋弛豫时间.发现在接近跃迁带边处自旋极化具有最大值,并且自旋极化随着激子声子能量的变化而变化.

H.Gotoh[7]等在室温下利用GaAs/AlGaAs 量子阱研究了电子-空穴相互作用对电子自旋弛豫时间的影响.发现电子的自旋弛豫时间随电子和空穴的间距的变化而变化,可以通过调整施加在量子阱上的电场来改变电子和空穴的间距.随着电子和空穴间距的增加,电子的自旋弛豫时间也随之延长.在室温下量子阱中电子的自旋弛豫主要是由DP效应引起的,并且DP机制认为电子的自旋弛豫是由于电子动量的随机化导致的,且只有电子散射跟自旋弛豫有关,因此,DP机制认为电子的自旋弛豫不会受到周围空穴的影响. BAP机制认为自由电子和空穴的自旋弛豫时间跟交换能的平方成反比,而交换能是跟电子和空穴波函数的重叠积分成正比.显然电子和空穴间距减少导致交换能的增加从而导致电子的自旋弛豫时间缩减.

总之,由于半导体材料中对自旋弛豫产生影响的因素很多,这就使得半导体中自旋弛豫过程比较复杂,还有很多工作要做.因此,自旋电子学的发展还面临着许多挑战.

参考文献

[1]L.M un oz, E.Perez and L.Vina,Spin relaxation in in trin sic GaAs quantum w ells:influence of excitonic localization[J].Phys.Rev.

B,1995,51(7):4247-4257.

[2] A.T ackeu chi,T.Kuroda,et al.E lecton spin-relaxation dynamics in GaAs/AlGaAs quantum wells and InGaAs/In P qu antum

w ells[J].J pn.J.Appl.Phy s.,1999,38:4680-4687.

[3]R.S.Britton,T.Grevatt, A.M alinow sk i et al.Room temperatu re spin relax ation in GaAs/AlGaAs multiple quan tum w ells[J].

Appl.Phys.Lett.,1998,73:2140-2142.

[4]Pil Hu n S ong,K.W.Kim.S pin relaxation of con ductrion electrons in bulk III-V semiconductors[J].Ph ys.Rev.B,2002,66.

[5]A.T ackeuchi,T.Kuroda.Electon s pin-relax ation dyn amics in GaAs/AlGaAs quantum w ells and InGaA s/InP quan tu m w ells[J].

Jpn.J.Appl.Phys.,1999,38:4680-4687.

[6]T.Sogaw a,H.An do,S.Ando and H.Kanbe,Spin-polarization s pectros copy in r ectangular GaAs quantum w ires[J].Phys.Rev.

B,1998,58:15652-15659.

[7]H.Gotoh,H.Ando,T.Sogaw a,et al.Effect of electron-h ole interaction on electron s pin relaxation in GaAs/AlGaAs qu antum

w ells at room temperature[J].J.Appl.Phys.,2000,87:3394-3398.

编辑:琳莉

20