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半导体与铁磁薄膜中超快自旋动力学研究

专 业: 光学工程
关键词: 自旋电子学 半导体 铁磁薄膜
分类号: TN301  TN451  O463.1
形 态: 共 154 页 约 100,870 个字 约 4.825 M内容
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内容摘要


由于巨磁阻效应在传感器、磁头和存储等领域的开拓性应用,以及在自旋晶体管、量子计算机等领域展现出的诱人前景,研究电子自旋取向相关的物理现象已成为国际上的前沿热点,并形成了自旋电子学这一新兴学科。

近年来,超短脉冲激光技术的发展为人们研究光与物质的相互作用和强场物理的微观过程提供了高时间分辨工具,推动半导体和铁磁薄膜中的超快自旋动力学研究成为凝聚态物理的研究热点。

然而,半导体自旋电子学发展需要解决自旋注入、弛豫和控制等基本问题,铁磁系统的超快退磁机制也尚未研究清楚,还需要更多的实验和完善的理论来揭示其中的微观机制,因此,本论文选取了四类典型的材料系统作为研究对象,围绕自旋电子学的自旋注入、弛豫和控制等基本问题展开了研究,具体如下:

第一,对Voigt结构中本征GaAs的电子自旋相干弛豫动力学进行了较深入的研究。

发展了椭圆偏振光泵浦-探测吸收量子拍光谱技术及理论,并通过在导带底附近的过超能量依赖实验,证实等周期阻尼振荡的饱和吸收量子拍起源于电子,而不是激子的自旋拉莫尔进动。

通过温度依赖实验,发现自旋相干寿命与环境温度成T1\2的变化关系,支持了电子-空穴相互作用的BAP退相干弛豫机制。

第二,研究了稀磁半导体(Ga,Mn)As的电子、空穴自旋弛豫动力学和铁磁性起源机制,因为(Ga,Mn)As材料在未来半导体自旋电子器件中是一种潜在的高效率自旋极化注入源。

建立了仅对自旋极化灵敏的磁光克尔转角探测系统,并应用于(Ga,Mn)As的载流子自旋偏振弛豫动力学研究,通过激发强度依赖实验,表明DP机制是室温下电子自旋弛豫过程的主导机制。

空穴感应克尔转角增强效应显示铁磁性起源的p-d交换机理在室温下仍然有效。

第三,研究了稀土—过渡族金属合金TbFeCo薄膜的超快退磁和磁化恢复动力学过程,发现铁磁系统的磁光响应可分为亚皮秒的超快退磁和长达几百皮秒的慢磁化恢复两个过程,利用三温度系统模型进行了合理的解释。

激发强度依赖实验显示退磁化时间常数与激发强度无关,反映了自旋-轨道耦合引起的自旋翻转这一过程的内禀性,而磁化恢复速率则反比于激发强度,表明磁化恢复过程主要由自旋-晶格弛豫机制控制。

第四,研制成功外同步触发的交变强磁场仪,利用它实现了记录介质热磁写入过程的周期再现。

发明了光-磁同步的磁光克尔测试方法,并利用它们首次对c轴垂直取向FePt合金薄膜样品的超快退磁和磁化恢复及反转动力学过程进行了深入、系统的研究。

通过不同时间延迟位置的静态、动态磁滞回线对比,表明光激发后,电子、自旋和晶格三个体系并未在亚皮秒时间尺度达到热平衡。

反向磁场偏置和激发强度依赖实验表明磁化反转过程是受反向外场诱导的晶核形成和磁畴扩张过程控制的,可能的最短磁化反转时间也近纳秒,显示在未来基于FePt材料的高速度数据存储器中,短脉冲写入磁场的脉宽必须持续纳秒量级以保证写入信息的可靠性。

若要进一步提高数据写入速率,应该采用光强调制直接重写技术..……

全文目录


文摘
英文文摘
前言
第1章 本征半导体GaAs中电子自旋相干弛豫动力学研究
1.1引言
1.2电子自旋相干弛豫的研究背景
1.2.1自旋相干弛豫的动力学模型
1.2.2自旋相干弛豫的研究方法
1.2.3自旋相干弛豫的主导机制
1.3椭圆偏振光吸收量子拍光谱技术
1.3.1椭圆偏振光泵浦-探测吸收光谱技术
1.3.2椭圆偏振光吸收量子拍测量原理
1.4本征GaAs中电子自旋相干弛豫机制研究
1.4.1实验系统描述
1.4.2饱和吸收量子拍的起源
1.4.3电子自旋相干弛豫时间的温度依赖结果分析
1.4.4载流子复合时间的温度依赖结果分析
1.4.5电子g因子的温度依赖结果分析
1.5小结
第2章 稀磁半导体Ga,MnAs中载流子自旋弛豫动力学研究
2.1引言
2.2时间分辨磁光克尔旋转光谱技术
2.2.1极向克尔旋转角和椭圆度的物理意义
2.2.2极向克尔旋转角变化量的测量方法
2.2.3极向克尔椭圆度变化量的测量方法
2.3磁光克尔转角探测系统的研制
2.3.1探测系统的方案选择
2.3.2探测系统的噪声分析
2.3.3探测系统的难点分析
2.3.4探测系统的性能分析
2.4Ga,MnAs中载流子复合与自旋偏振弛豫动力学实验研究
2.4.1实验系统描述
2.4.2载流子复合时间的激发强度依赖结果分析
2.4.3电子自旋偏振弛豫时间的激发强度依赖结果分析
2.4.4快慢过程最大克尔转角的激发强度依赖结果分析
2.5小结
第3章 稀土-过渡族金属合金TbFeCo薄膜中超快自旋动力学研究
3.1引言
3.2垂直磁场发生器的设计及实现
3.2.1设计方案的初步选择
3.2.2垂直磁路的结构参数优化
3.2.3垂直磁路的实际测量结果
3.2.4水平磁路的模拟设计
3.3 TbFeCo合金薄膜中超快自旋动力学实验研究
3.3.1实验系统描述
3.3.2超快退磁时间的激发强度依赖结果分析
3.3.3磁化恢复时间的激发强度依赖结果分析
3.4小结
第4章 c轴垂直取向FePt合金薄膜中磁化反转动力学研究
4.1引言
4.2热辅助磁化反转过程的测量原理
4.2.1热磁写入过程的周期再现
4.2.2交变强磁场仪的研制
4.2.3光-磁同步磁光测试法
4.3 FePt合金薄膜中磁化反转动力学实验研究
4.3.1实验系统描述
4.3.2超快退磁和磁化恢复动力学过程分析
4.3.2磁化反转动力学过程分析
4.4小结
总结
参考文献

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中图分类: > TN301 > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 半导体技术 > 一般性问题 > 基础理论
其他分类: > TN451 > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 微电子学、集成电路(ic) > 混合集成电路 > 薄膜混合集成电路(薄膜电路)
其他分类: > O463.1 > 数理科学和化学 > 物理学 > 真空电子学(电子物理学) > 带电粒子光学

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