III-V族半导体自旋电子器件相关材料的磁化与自旋弛豫超快动力学研究

自旋极化的产生、注入、输运、操作、和探测是半导体自旋电子学中最核心的物理过程。 采用各种磁、光、电手段对稀磁半导体和铁磁体与非磁性半导体构成的异质结构中自旋的产生、弛豫和自旋退相干效应的研究近年来受到国内外广泛的关注。本项目将利用时间分辨磁光克尔旋转技术为主要研究手段, 对III-V族稀磁半导体以及铁磁铁/半导体异质结构中载流子自旋相干弛豫和磁化动力学过程以及其中的物理机制进行深入的研究。主要研究内容有：1）对生长在GaAs衬底上以(Ga,Mn)As为代表的稀磁半导体材料中光注入自旋载流子,自旋和磁化的超快动力学过程以及其中的物理机理进行研究。2）对自旋注入器件所应用的铁磁体/半导体异质结构, 例如Fe/GaAs, MnAs/GaAs 结构中电子以及自旋的输运和退相干过程进行研究, 从而对进一步提高铁磁体/半导体异质结中自旋的注入效率与探测提供基础物理上的理解与指导。

本项目利用飞秒时间分辨磁光克尔光谱技术，对分子束外延生长的稀磁半导体 (Ga,Mn)As与铁磁薄膜Fe/GaAs异质结构中电子自旋和磁化动力学过程与物理机制进行了研究, 并对其中集体自旋的相干超快光学激发与探测开展了研究。主要研究成果有：1）高Mn 组分(Ga,Mn)As中复杂的自旋极化载流子弛豫过程及其物理机制。结果表明低温下是以s-d 交换散射为主，高温下则是BAP 机制和Mn 杂质散射占主导地位。自旋弛豫时间在居里温度Tc 附近表现出异常行为, 来源于载流子散射从铁磁相下以长程铁磁序为主导的非关联自旋涨落转变为顺磁相下以短程磁有序为主导的关联自旋涨落，铁磁相变后自旋的短程有序关联性有效抑制了热涨落。研究表明退火可有效减少间隙型Mn离子的浓度，退火后高Mn 掺杂(Ga,Mn)As中的电子自旋弛豫机制与正常掺杂情况类似，由DP和p-d 耦合交换作用主导。2）研究了(Ga,Mn)As从绝缘体－金属型导电行为转变过程中电子自旋的动力学行为以及与磁性离子间的交换相互作用等物理过程：结果表明金属型较绝缘型的(Ga,Mn)As具有更长的电子自旋弛豫时间。在适度掺杂的(Ga,Mn)As中，电子自旋弛豫时间随温度升高先增大后减小, 在电子费米温度附近最长, 表明电子－电子库仑散射下的DP机制主导着电子自旋退相位过程。该结果否定了大家通常认为杂质散射是影响(Ga,Mn)As中电子自旋弛豫重要因素的认识。3) 对GaAs中电子自旋弛豫与退相干过程及其物理机制进行了研究。首次在实验上观察到p-型掺杂GaAs中电子自旋弛豫时间随p-型掺杂浓度的非单调变化规律, 并进一步研究了自旋－轨道耦合效应对调制掺杂GaAs/AlGaAs量子阱中电子自旋弛豫与退相干过程的调控。研究结果很好地验证了基于多体理论的微观动力学自旋Bloch方程方法的自旋动力学理论研究结果。 4) 对适用于自旋注入的Fe/GaAs肖特基结构中的磁化动力学进行了研究。所观察到的动态退磁与磁化进动过程揭示了激光与铁磁材料中自旋的相干耦合效应。我们也对 (Ga,Mn)As薄膜材料中集体自旋相干超快光学激发开展了初步研究, 在实验上已经观察到相干自旋波的超快激发，进一步的深入研究工作还在进行中。本项目的执行有助于进一步深入理解半导体自旋电子学材料的自旋激发/注入以及动力学过程, 是半导体自旋电子学应用发展的重要基础研究工作。