立方相GaN中自旋动力学的实验研究

在基于半导体的自旋电子学研究领域中，一直希望找到室温下长自旋寿命的材料。在GaAs基材料中，由于强的自旋轨道耦合，通常情况下，室温下自旋寿命在100ps左右。在宽禁带材料中，如六方相GaN、ZnO，虽然自旋轨道耦合比较弱，但是由于有很强的内建电场，自旋寿命在10ps量级。理论上预言，在立方相GaN中，由于和六方相GaN的结构不同，不存在内建电场，因而有非常长的自旋寿命，室温下在ns量级。目前，国际上刚刚开始这种材料自旋特性的研究，自旋的一些基本特性还不是清楚。本项目将利用时间分辨克尔旋转技术，详细研究研究这种材料的自旋动力学特性，包括电子g因子的精确测定，阐明立方GaN中自旋驰豫规律，为探索在自旋电子学方面的潜在应用打下基础。

这个项目的研究背景是半导体自旋电子学：科学家试图阐明、甚至试图控制半导体中和自旋有关的物理现象。最近几年，理论上提出了大量的新的原型自旋电子学器件，如自旋晶体管，自旋LED和自旋激光器等等。这些有应用前景的原型自旋电子学器件的实现依赖于在一定的时间和长度的尺度内，控制和保持长的自旋相干性。然而，之前大部分工作都集中在GaAs材料体系。自从2003年理论上提出了立方GaN即使在室温下自旋寿命也非常长（比GaAs长3个数量级，能达到100ns）,大家开始关注立方GaN这种特殊的材料。由于GaN具有大的禁带宽度（纤锌矿GaN 3.4eV，立方GaN 3.2eV，GaAs 1.5eV），小的自旋分裂（GaN 12meV，GaAs 341meV），由体反转不对称性产生的Dresselhaus自旋轨道耦合项就非常小，另外，以GaAs为衬底生长的立方相GaN不存在内建电场，没有纤锌矿GaN中存在的Rashba项，从而即使室温下自旋衰退也非常慢，理论上自旋寿命非常长，因此立方GaN将会是探索和实现自旋器件的理想材料之一，对立方GaN自旋性质做系统的研究就显得尤其重要。我们利用紫外波段的时间分辨克尔旋转测量技术，研究了变温、磁场下的立方相GaN体材料中电子自旋动力学，发现自旋寿命可以达到1500ps左右，并且证明低温下（T=2K）自旋驰豫机制是由电子自旋和核自旋相互作用。我们从垂直磁场条件下负延迟时间下克尔信号急剧增大和动态核极化两个方面加以证实我们的设想。在T=2K条件下，获得核超精细相互作用场的特征宽度为4.5mT左右，核自旋有序排列引起的Overhauser场大约为9mT，随着温度的升高，Overhauser场在40K时减小为3mT，在更高温度下，Overhauser场消失。我们还在横向磁场条件下，精确测定了立方相GaN体材料中的电子g因子，大约为1.93。这些实验结果对立方相GaN在自旋电子学的应用有重要的参考价值。.. 在项目执行后期，在当前国际上热点研究领域-Valleytronics，我们研究了单层MoS2的自旋/谷特性，首次从实验上证实了单层MoS2谷的圆偏振光选择吸收性，并且开展了单轴应力对能谷极化的调控以及单层TMDC中能谷/自旋动力学的研究，这些工作对于新一代电子学—谷电子学的发展具有极其重要的意义。.