博士学位论文 - Prof. Dr. Ming-Wei Wu - 中国科学技术大学
博士学位论文 - Prof. Dr. Ming-Wei Wu - 中国科学技术大学
博士学位论文 - Prof. Dr. Ming-Wei Wu - 中国科学技术大学
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
摘 要<br />
自旋电子学是一门研究如何在固体中有效地控制自旋自由度的新兴交叉学科,人们<br />
希望利用自旋自由度来取代或者结合传统电子学器件中的电荷自由度,从而实现新型的<br />
自旋电子学器件。研究自旋电子学器件要解决的主要问题有:如何有效地产生自旋极<br />
化;自旋极化保持的时间和输运的距离,以及如何操控它们;自旋极化的探测。在本论<br />
文中,我们将基于介观和多体层面来研究受限半导体纳米结构中,主要是量子阱/线系<br />
统,自旋极化的产生以及自旋弛豫/去相位问题,前者包括自旋过滤器和自旋霍尔效应<br />
两个方面。<br />
在论文中我们首先回顾了自旋电子学的发展,包括各种自旋电子学器件,自旋极化<br />
的产生、探测,自旋弛豫/去相位机制,以及 III-V 族半导体材料中自旋轨道耦合的来<br />
源,包括 <strong>Dr</strong>esselhaus、Rashba 和 Elliott-Yafet 自旋轨道耦合。我们比较仔细地给出了<br />
自旋系综的各种自旋弛豫机制及其计算方法,主要包括 Elliott-Yafet 机制, D’yakonov-<br />
Perel’ 机制,Bir-Aronov-Pikus 机制以及原子核超精细相互作用,还详细讨论了非均匀<br />
扩展导致的自旋弛豫/去相位机制。之后我们还介绍了动力学自旋 Bloch 方程的发展过<br />
程和主要结果,回顾了 Singwi-Tosi-Land-Sjölander 局域场修正 (local field correction),<br />
这些都属于多体问题的研究。此外,我们还回顾了介观物理的一些基本概念及其常用<br />
的 Landauer-Büttiker 公式,这些属于介观物理的范畴。<br />
在多体问题的研究中,通过建立和求解动力学自旋 Bloch 方程,我们研究了量子阱<br />
系统中的自旋弛豫/去相位问题。我们首先研究了沿 (001) 方向生长的 n 型 GaAs 量子<br />
阱中的自旋弛豫/去相位时间,在计算中考虑了所有可能的散射:电子-纵向光学声子<br />
散射、电子-非磁性杂质散射、电子-电子库仑散射,特别是电子-声学声子散射的<br />
计入使我们的研究范围扩大到了低温区。我们把得到的自旋弛豫/去相位时间与实验数<br />
据在很大的温度范围内做比较,证明我们的理论与 Ohno 等人的实验 [Physica E 6, 817<br />
(2000)] 符合得非常好。更重要的,我们指出库仑作用不仅仅在高温时很重要,在低温<br />
下也很重要,我们预言了一个自旋弛豫/去相位时间的峰,它来源于库仑作用在简并和<br />
非简并区相反的温度依赖关系。目前该现象已被 Ruan 等人的实验所证实 [Phys. Rev.<br />
B 77, 193307 (2008)] 。此外我们还详细研究了电子浓度、杂质浓度、量子阱阱宽、温度<br />
以及外加电场对自旋弛豫时间的影响。<br />
此外,我们还研究了本征和 p 型 GaAs 量子阱中由 Bir-Aronov-Pikus 机制引起的<br />
自旋弛豫/去相位,指出利用费米黄金规则计算的 Bir-Aronov-Pikus 机制的自旋弛豫/去<br />
相位时间是做了弹性散射近似进而忽略了电子-空穴交换相互作用中的非线性项后的<br />
结果,因此是不准确的。我们的计算表明量子阱中的自旋弛豫/去相位和体材料中的是
Change language