Спиновый транспорт в сверхрешетках с минимальными разрывами зоны проводимости тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Васильев, Дмитрий Александрович

• Васильев, Дмитрий Александрович
• кандидат физико-математических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Васильев, Дмитрий Александрович

Введение.

1. Литературный обзор.

1.1. Поляризация. Определение, основные понятия, связанные с поляризацией.

1.2. Применение поляризованных пучков на электрон-позитронных коллайдерах.

1.3. Оптическая ориентация электронов.

1.4. Сверхрешетки.

1.5. Отрицательное электронное сродство.

1.6. Спиновая релаксация носителей при оптической ориентации в полупроводниках

1.6.1. Механизм спиновой релаксации Эллиота и Яффета.

1.6.2. Механизм спиновой релаксации Дьяконова-Переля.

1.6.3. Механизм спиновой релаксации Бира-Аронова-Пикуса.

1.6.4. Сравнение эффективности различных механихмов спиновой релаксации.

1.6.5. Результаты экспериментальных исследований скорости спиновой релаксации свободных носителей в кристаллах А3В5.

1.6.6. Зависимость скорости спиновой релаксации от концентрации акцепторов.

2. Экспериментальная установка.

2.1. Конструкция вакуумной установки.

2.2. Система сверхвысоковакуумной установки.

2.3. Оптическая система.

3. Фотоэмиссия поляризованных электронов из структур с минимальными разрывами зоны проводимости.

3.1. Структура и технология изготовления фотокатодов.

3.2. Сверхрешетки ЫАЮаАз-СаАэ.

3.3. Анализ результатов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Спиновый транспорт в сверхрешетках с минимальными разрывами зоны проводимости»

Пучки поляризованных электронов широко используются в последнее десятилетие [1] для изучения спин-зависящей структуры нуклонов и параметров слабых нейтральных токов, магнетизма поверхности и тонких пленок [2-4], электронной структуры поверхности металлов, полупроводников и тонких пленок.

Пучки с наибольшей из возможных поляризацией играют кардинальную роль для существенного расширения физических возможностей коллайдеров. Крупнейшие из ныне действующих электронных ускорителей работают с пучками поляризованных по спину электронов: MAMI (Mainz Microtron, Mainz, Germany) и CEBAF (Thomas Jefferson National Laboratory, Newport News, USA) [5-7]. Суперускоритель, рассчитанный на энергию столкновения 1000 Гэв, (International Linear Collider - ILC) также планируется для проведения экспериментов по столкновению пучков поляризованных электронов с пучками поляризованных позитронов. Главной причиной эффективности пучков поляризованных электронов при энергиях > Mz является то, что электроны правой спиральности уже не участвуют в слабом взаимодействии, а электроны левой спиральности участвуют. Выбором только желаемых для взаимодействия частиц можно существенно увеличить эффективность ускорителей.

Совершенствование информационных технологий требует увеличения плотности магнитной записи. В связи с этим свойства поверхности и границ раздела в скором времени будут определять магнитные свойства носителей информации. Методы спектроскопии поляризованных электронов весьма полезны для изучения таких свойств. Здесь следует отметить усиленно развивающийся метод спектроскопии поляризованных электронов малой энергии, позволяющий визуализировать динамические процессы на поверхности. Для проведения высококачественных исследований необходимы высокоэффективные источники поляризованных электронов (ИПЭ), наилучшим из которых является источник, основанный на фотоэмиссии из напряженных полупроводниковых гетероструктур.

Полупроводниковые приборы, основанные на поляризованных по спину носителях, представляют особый интерес для спинтроники. В последнее время для контроля эффективности инжекции поляризованных электронов из ферромагнитного слоя в полупроводник используется анализ поляризации излучения электролюминесценции. Использование оптимизированных наноструктур может обеспечить детектор поляризации с эффективностью 98%.

Во всех случаях для увеличения эффективности экспериментов необходимо улучшать параметры гетероструктур, что должно привести к увеличению степени поляризации, квантового выхода в точке максимума поляризации и времени жизни фотоэмитгера.

Для достижения этой цели были разработаны и выращены фотокатоды на основе полупроводниковых соединений ОаАз-АПпОаАв без барьеров в зоне проводимости. Отсутствие барьеров в зоне проводимости позволяет эффективно улучшить параметры фотокатодов за счет того, что увеличивается подвижность электронов и уменьшается скорость спиновой релаксации поляризованных фотоэлектронов.

Целью работы является всестороннее исследование процессов спинового транспорта в структурах на основе сверхрешеток ваАз-АПпСаАз с минимальными разрывами зоны проводимости, а также оптимизация их состава для получения эмиттеров с высокой степенью поляризации и высоким квантовым выходом.

В первой главе диссертации рассматриваются основные понятия о поляризации, применение пучков поляризованных электронов на ускорителях элементарных частиц, явление оптической ориентации, отрицательное электронное сродство, понятие сверхрешетка, а также механизмы спиновой релаксации электронов.

Вторая глава посвящена описанию экспериментального комплекса для исследования фотоэмиссии поляризованных электронов.

В третьей главе приведены результаты исследования фотоэмиссии поляризованных электронов из сверхрешеток с минимальными разрывами зоны проводимости.

Научная новизна работы.

1. Впервые детально исследована фотоэмиссия поляризованных электронов из нового типа напряженных полупроводниковых сверхрешеток АЦпуОаьх.уАзЛлаАз с минимальным разрывом зоны проводимости.

2. Впервые произведена количественная оценка потерь поляризации при нахождении электронов в области изгиба зон на границе полупроводник-вакуум и при выходе в вакуум через активационный слой для полупроводниковых гетероструктур с приповерхностным слоем арсенида галлия.

3. Впервые показано, что достижение максимальной поляризации ограничивается как неизбежными потерями поляризации при эмиссии электронов в вакуум, так и флуктуационным размытием краев валентной зоны.

Научная и практическая значимость работы заключается в том, что полученные результаты позволяют разрабатывать и выращивать сверхрешетки с высокими параметрами, на основе которых могут быть созданы эффективные источники поляризованных электронов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Разработаны, изготовлены и исследованы фотокатоды нового типа на основе 1пАЮаАз-ОаА8 сверхрешеток с напряженными барьерами валентной зоны и с минимальными разрывами края зоны проводимости.

2. Методом совместного анализа спектров поляризации и квантового выхода определены параметры гетероструктур и процесса фотоэмиссии электронов.

3. Достижение максимальной поляризации ограничивается флуктуационным размытием краев валентной зоны.

4. Рекордные значения поляризации фотоэмиссии Ртах =91% при квантовом выходе 0.14% позволяют говорить о перспективности использования разработанных гетероструктур для создания эффективных источников поляризованных электронов. Апробация результатов работы. Основные результаты данной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских и международных конференциях и симпозиумах: Xtth International Workshop on Polarized Sources and Targets (Tokyo, Japan, 2005), X Всероссийская конференции по проблемам науки и высшей школы "Фундаментальные исследования в технических университетах" (Санкт-Петербург, Россия, 2006), международном симпозиуме «Nanostructure: Physics and Technology» (Новосибирск, Россия, 2007).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ:

1. К. Ioakeimidi, Т. Maruyama, J.E. Clendenin, A. Brachmann, Yu.A.Mamaev, L.G.Gerchikov, Yu.P.Yashin, D, Yasilyev, V.M.Ustinov, A.E.Zhukov, R. Prepost, "Polarization comparison of InAlGaAs/GaAs superlattice photocathodes having low conduction band offset", Proceedings of the Xlth International Workshop on Polarized Sources and Targets, November 14-17, 2005, Tokyo, Japan, p. 147.

2. Герчиков Л.Г., Мамаев Ю.А., Яшин Ю.П., Васильев Д.А., Кузьмичев В.В. "Исследование фотоэмиссии поляризованных электронов из InAlGaAs - GaAs сверхрешеток", Материалы X Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы "Фундаментальные исследования в технических университетах", СПб, 18-19 мая 2006г., стр.136.

3. Л.Г.Герчиков, Ю.А.Мамаев, А.В. Субашиев, Ю.П.Яшин, Д.А.Васильев, В.В. Кузьмичев, А.Е.Жуков, Е.С.Семенова, А.П.Васильев, В.М.Устинов, "Фотоэмиссия поляризованных электронов из InAlGaAs-GaAs сверхрешеток с минимальными разрывами зоны проводимости", ФТП, 2006, том 40, вып. 11, стр. 1361.

4. D. Vasiliev, Yu. Yashin, Yu. Mamaev, L. Gerchikov, V. Kuz'michev, V. Ustinov, A. Zhukov and V.S. Mikhrin, "High performance polarized electrons photocathode" 15th international symposium NANOSTRUCTURES: physics and technology, 2007, p. 147

5. Ю. А. Мамаев, Л.Г. Герчиков, Ю. П. Яшин, Д. А. Васильев, В.В. Кузьмичев, "Исследование фотоэмиссии поляризованных электронов из напряженных сверхрешеток", Известия ВУЗов, Физика, 2008, вып. 3, стр. 37.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Она содержит 101 страницы машинописного текста, 35 рисунков и 2 таблицы. Список цитируемой литературы содержит 61 наименование.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Васильев, Дмитрий Александрович

Основные результаты настоящей работы состоят в следующем:

1. Были разработаны, изготовлены и исследованы фотокатоды на основе ¡пАЮаАз-ОаАз сверхрешеток с напряженными барьерами валентной зоны и с минимальными разрывами края зоны проводимости.

2. Получены рекордные значения поляризации фотоэмиссии Ртях =91% при высоком квантовом выходе, что позволяет говорить о перспективности использования этих гетероструктур для создания эффективных источников поляризованных электронов.

3. Сравнение экспериментальных и расчетных спектров фотоэмиссии с учетом размытия края валентной зоны и уширения дырочного спектра, а также спиновой релаксации при эмиссии электронов в вакуум, позволило определить параметры гетероструктур и процесса фотоэмиссии электронов.

4. Измерение времен отклика фотокатодов на основе объемного ОаАэ, барьерной структуры и безбарьерной сверхрешетки показало, что в наших образцах нет барьеров в зоне проводимости, и электроны движутся так же, как и в объемном материале, что уменьшает время их транспорта.

5. Проведенный анализ показывает, что достижение максимальной поляризации ограничивается как неизбежными потерями поляризации при эмиссии электронов в вакуум, так и флуктуационным размытием краев валентной зоны.

Автор выражает большую благодарность научному руководителю профессору Мамаеву Ю.А. за большую помощь в работе над данной диссертацией и доценту Яшину Ю.П., чей вклад в создание экспериментальной установки и проведение всех экспериментов трудно переоценить.

Особая благодарность автора доценту Герчикову Л.Г., чьи теоретические исследования позволили разработать и оптимизировать исследовавшиеся структуры.

Также хочется поблагодарить Драча И.Н. за помощь в настройке электронного оборудования и сотрудников лаборатории по исследованию поляризованных фотокатодов Стэндфордского линейного ускорительного центра Джеймса Кленденина и Такаши Маруяму за помощь и поддержку при проведении измерений в США.

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Васильев, Дмитрий Александрович, 2008 год

1. Subashiev A.V., Mamaev Yu.A., Yashin Yu.P., Clendenin J.E. // Phys. Low-Dim. Struct.1999.-V.1-2.-P.1.

2. Siegraann H.C. // J. Phys.: Cond. Matt.- 1992.- V.4.- P.8395.

3. Drouhin H.-J., Van der Sluijs A.J., Lassailly Y. and Lampel G. // J. Appl. Phys.- 1996.-V.79.- P.4734.

4. Allenspach R. // ГОМ J. RES. DEVELOP.- V. 44.- №4.- P. 553.

5. Klein F. et. al. // Nucl. Phys. A.-1997.- V.623.- P.323. 6J Abe K. et al. // Phys. Rev. Lett.- 1995.- V.75.- P.4173.

6. Morris L. Swartz. Physics with Polarized Electron Beams // SLAC-PUB-4656.- P. 47. 18] G. Lampel // Phys. Rev. Lett.- 1968.- V.20.- P.491.

7. Г.Л. Бир, Г.В. Пикус // ФТТ.- 1959.- V IP.136.

8. P. Zorabedian // SLAC Report No 248.- 1982.

9. T. Maruyama, E.L. Garwin, R. Prepost, G.H. Zalapac, J.S. Smith, J.D. Walker // Phys. Rev. Lett.- 1991.- У.66.- P.2376.

10. А.Я. Шик // Двумерные квантовые структуры.- СПб.- 1993.- С.7.

11. Т. Maruyama, E.L. Garwin, R. Prepost, G.H. Zalapac // Phys. Rev.-1992.- B46.- P.4261.

12. T. Nakanishi, H. Aoyagi, H. Horinaka, Y. Kamiya, T. Kato, S. Nakamura, T. Saka, M. Tsubata // Phys. Lett. A.- 1991.- V.1S8.- P.345.

13. A.V. Subashiev, L.G. Gerchikov, and A.I. Ipatov // J. Appl. Phys.- 2004.- V.96.- P.1511.

14. P.JI. Белл // Эмиттеры с отрицательным электронным сродством.- М.:Энергия.-1978.

15. Л.И. Антонова, В.П. Денисов, Ю.П. Яшин, М.С. Галактионов // ЖЭТФ.-1990.-С.2247.

16. Антонова Л.И., Денисов В.П., Исаева Н.А. // ЖЭТФ.- 1987.- С.2446.

17. Yafet Y. // Solid State Physics.- 1963.- V.14.- P. 1.

18. Бир Г.Л., Аронов А.Г., Пикус Г.В. // ЖЭТФ.- 1975.- Т.69.- С.1382.

19. Дьяконов М.И., Перель // ФТТ.- 1971,- Т.13.- С.3581.

20. Elliott P. J. // Phys.Rev.- 1954.- V.96.- Р.266.

21. Yafet Y. // Solid State Physics.- 1963.- V.14.- P. 1.

22. Павлов C.T., Фирсов Ю.А. // ФТТ.- 1965.- Т. 7.- С. 2634.

23. Абакумов В.Н., Яссневич И.Н. // ЖЭТФ.- 1971.- Т.61.- С.251.

24. Chazalviel J. // Phys.Rev. В.- 1975.- V.ll.- Р.1555.

25. Дьяконов М.И., Марущак В.А., Перель В.И. // ЖЭТФ.- 1986.- Т.90.- С.1023.

26. Дьяконов М.И., Перель В.И. // ЖЭТФ.- 1971.- Т.60.- С.1954.

27. Ивченко Е.Л., Пикус Г.Е., Такуиов Л.В. // ФТТ.- 1978.- Т.20.- С.2598.

28. Вир ГЛ., Аронов А.Г., Пикус Г.В. // ЖЭТФ.- 1975.- Т.69.- С.1382.

29. Марущак В.А., Степанова М.Н., Титков А.Н. // ФТТ.- 1983.- Т.25.- С.3537.

30. Дьяконов М.И., Марущак В.А., Перель В.И. // ЖЭТФ,- 1986.- Т.90.- С.1123.

31. Parsons R.R. // Can. J. Phys.- 1971.- V.49.- P.1850.

32. Захарченя Б.П., Ивченко Е.Л., Рыскин А.Н., Варфоломеев А.В. // ФТТ.- 1976.- Т.18.-С.230.

33. Марущак В.А., Степанова М.Н., Титков А.Н. // Письма в ЖЭТФ.- 1983.- Т.37.-С.337.

34. Екнмов А.И., Гарбузов Д.З., Сафаров В.И. // Письма в ЖЭТФ.- 1971.- Т.13.- С.36.

35. Benoit a La Guiolaurae С. Lavallard P., Bichard R. //Proc 12th ICPS. Stuttgart.- 1974.-P.766.

36. Clark A.H., Burnham R.D., Chadi D.J., White R.H. // Solid State Commun.- 1976.- V.20.-P.385.

37. Аронов А.Г., Пикус Г.Е., Титков А.Н. // ЖЭТФ.- 1983.- Т.82.- С.1170.

38. Гореленок А.Т., Груздов В.Г., Марущак В.А. // ФТП.- 1986.- Т.20.- С.347.

39. Екимов А.И., Сафаров В.И. // Письма в ЖЭТФ.- 1971.- Т.13.- С.700.

40. Джиоев Р.И., Захарченя Б.П. Флейшер В.Г. // Письма в ЖЭТФ.- 1971.- Т.14.- С.553.

41. Christensen N.E., Cardona М., Fasol G. // Phys. Rev. В.- 1988.- V.87.- P.306.

42. Берковиц В.Л., Екимов А.И., Сафаров В.И. //ЖЭТФ.- 1973.-Т.65.- С.346.

43. Ивченко Е.Л., Такунов Л.В. // ФТП.- 1976.- Т.М.- С.1334.

44. Пикус Г.Е., Бир Г.Л. // ЖЭТФ.- 1974.- Т.67.- С.788.

45. Левинсон И.Б., Левинский Б.Н. // ЖЭТФ.- 1976.- Т.71.- С.300.

46. Компан М.Е., Захарченя Б.П. И Письма в ЖЭТФ.-1974.- Т.19.- С.734.

47. Компан М.Е., Флейшер В.Г. // ПТЭ.- 1975.- Т.З.- С.223.

48. И. Кесслер, Поляризованные электроны, М:.,Мир,1988.

49. Т. Saka, Т. Kato, Т. Nakanishi, S. Okumi, К. Togawa, Н. Horinaka, Т. Matsuyama, T.Baba // Surf. Sci.-2000.- V.454-456.- P.1042.

50. Yu. Mamaev, A. Subashiev, Yu. Yashin, E. Reichert, P. Dresher, N. Faleev, P. Kop 'ev, V. Ustinov, A. Zhukov // Phys.Low-Dim.Struct.- 1995.- V.10-11.- P.l.

51. T. Maruyama, D.-A. Luh, A. Brachmann, J.E. Clendenin, E.L. Garwin, S. Harvey, J. Jiang, R.E. Kirby, C.Y. Prescott, R. Prepost, A.M. Moy // Appl. Phys. Lett.- 2004.- V.85.-P.2640.

52. A.V. Subashiev, L.G. Gerchikov, Yu.A. Mamaev, Yu.P. Yashin, J.S. Roberte, D.-A. Lüh, T. Maruyama, and J.E. Clendenin // Appl. Phys. Lett.- 2005.- V.86.- P.171911.

53. Yu.A. Mamaev // Nucl. Instr. & Methods.- 2004.- V.A536.- P.289.

54. L Vurgaftman, J.R. Meyer, L.R. Ram-Mohan // J. Appl. Phys.- 2001.- V.89.- P.5815.

55. A.V. Subashiev, L.G. Gerchikov II SPIN2004proceedings.- 2005.- P. 908.

56. A.V. Subashiev, L.G. Gerchikov, A.I. I pa to \ 11 J. Appl. Phys.- 2004.- V.96.- P.1511.

57. B.D. Oskotskij, A.V. Subashiev, Yu.A. Mamaev // Phys. Low Dim. Struct.- 1997.- V.l-2.-P.77.

58. Yu.A. Mamaev, A.V. Subashiev, Yu.P. Yashin, H.-J. Drouhin, G. Lampel // Solid State Commun.- 2000.- V.114 (7).- P.401.

59. K. Aulenbacher, R. Bolenz, V. Tioukine, M. Weis // SPIN2004proceedings.- 2005.- P.922.