Введение к работе
Актуальность темы. Основное отличие полупроводниковых гетероструктур от разреженных атомных систем, в которых оптический отклик хорошо описывается независимыми переходами между атомными уровнями, заключается в существенном влиянии корреляций и нелинейной динамики, вклад в которую вносят эффекты насыщения вследствие принципа Паули. Сильно коррелированное состояние может быть получено только после воздействия лазерных импульсов, что дает возможность, по меньшей мере, частично управлять итоговыми корреляциями путем подбора условий лазерного возбуждения. Кроме того, если длительность лазерного импульса короче характерного времени взаимодейстзия в системе, то возможно влиять на систему в течение процесса релаксации. Возможность приготовления определенного состояния полупроводника и когерентного управления его последующей эволюцией, лежит в основе работы многих оптоэлектронных устройств и открывает перспективы дальнейшего развития[А5].
Помимо вышеперечисленных явлений в гетероструктурном полупроводнике наблюдается различия в коэффициентах диффузии спинов и электронов. Предположение, что подвижность спинов и электронов одинакова, широко используется в моделировании спинового транспорта в полупроводниках. Однако оно не принимает во внимание электрон -электронные соударения, которые могут быть намного быстрее, чем рассеяние на примесях или фононах. Электрон-электронное рассеяние можно не учитывать в описании зарядового транспорта, но оно может иметь большое значение в случае спинового транспорта.
Таким образом ясно, что есть, по крайней мере, две причины для исследования гетероструктур сверхбыстрыми оптическими методами:
анализ зарядовой и спиновой динамики дает глубокое понимание сути процессов в полупроводнике и, следовательно, представляет фундаментальный интерес.
явления, связанные с корреляциями, когерентностью и спиновой степенью свободы, могут использоваться при создании новых оптоэлектронных и спиновых устройств.
Представленная диссертация посвящена исследованию электронной и спиновой динамики в гетероструктурном полупроводнике GaAsI AljSa^As. Данная структура интересна высокой подвижностью электронов.
Целью данной работы являлась реализация экспериментального исследования особенностей спиновой и электронной динамики в двумерном электронном газе.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
-
В интервале температур 4К - 300К проведены исследования температурных зависимостей скоростей релаксации и подвижности электронов, и обнаружены две компоненты в скорости релаксации, соответствующие двум типам электронов.
-
Впервые исследована зависимость времени дефазировки от мощности возбуждающих импульсов при комнатной температуре. Установлено, что эта зависимость удовлетворяет закону: Tr~N'' , который
отличается от закона T2~N' , характерного для неэкранированного электрон-электронного взаимодействия в кристаллах полупроводников. Анализ показал, что наряду с электрон-электронным взаимодействием велика роль и электрон-фононного взаимодействия.
3. С помощью времяразрешенного эффекта Керра установлено наличие
двух различных g-факторов электронных носителей. Это указывает на
наличие как 3D (|g|«0,44), так и 2D (|g|»0,39) спинов электронов,
находящихся как в глубине кристалла, так и в области границы гетероперехода.
4. В эксперименте по эффекту Керра в магнитном поле показана
зависимость скорости потери когерентности спинами электронов с ростом
магнитного поля. Уменьшение времени когерентности связано с влиянием
излучения (поглощения) акустических фононов, энергия которых пропорциональна энергии зеемановского расщепления, за счет увеличения числа свободных фононньгх состояний.
5. Предложен метод одновременной регистрации сигналов дифракции от наведенной "решетки" и "накачка-зондирования", который позволяет упростить методику измерений и сократить время эксперимента. Научная и практическая значимость:
Полученные экспериментальные результаты являются новыми и вносят существенный вклад в понимание картины электронной и спиновой динамики в гетероструктуре AlGaAs/GaAs. Результаты исследований могут быть использованы при теоретических и экспериментальных исследованиях физических свойств новых материалов.
Достоверность и обоснование результатов обеспечены комплексным характером выполненных экспериментальных исследований, их многократной повторяемостью, непротиворечивостью результатов, полученных различными методами, а также совпадением контрольных экспериментов, с результатами теоретических расчетов и с установленными фактами, опубликованными в научных статьях, обзорах и монографиях.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Разработка и создание экспериментальной оптической установки,
позволяющей производить измерения коэффициентов электронной и
спиновой диффузии, времена релаксации и когерентности в
полупроводниках.
-
Установление факта существования двух типов электронов в гетероструктуре AlGaAs/GaAs, отличающихся g- факторами.
-
Установление механизма релаксации электронов, возбужденных в глубине кристалла, - миграция в область двумерного электронного газа за время в несколько сотен пикосекунд.
-
Измерение значений коэффициентов диффузии спинов и электронов.
Личный вклад автора состоит в:
участии в обсуждении цели и постановке задачи;
создании экспериментальной установки, проведении измерений, обработке результатов измерений;
участии в обсуждении результатов эксперимента, их теоретическом описании, написании статей;
Ряд экспериментальных измерений был выполнен автором в лаборатории университета г. Гронинген, Нидерланды. Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях и семинарах: Итоговая научная конференция КазНЦ РАН (Казань, 2008), XVII Международная конференция молодых ученых и специалистов "Оптика 2009" (Санкт-Петербург 2009); ХП,ХШ Международная молодежная научная школа "Когерентная оптика и оптическая спекгроскопия" (Казань, 2009,2010); IX Международный Симпозиум по фотонному эхо и когерентной спектроскопии "ФЭКС-2009" (Казань, 2009); Итоговая научная конференция Казанского университета (Казань, 2009); Пятая Международная научная школа "Наука и инновации - 2010" (Йошкар-Ола, 2010); Международная конференция "ICONO/LAT 2010" (Казань, 2010), на научных семинарах КФТИ КазНЦРАН.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 6 научных статьях в ведущих рецензируемых журналах, включенных в перечень ВАК (AI, А2, A3, А4, А5, А6), и в трудах вышеперечисленных конференций(А7,А8,А9, А10).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 102 наименования. Работа изложена на 100 страницах машинописного текста, содержит 39 рисунков и 4 таблицы.
