Spin coherence and -dephasing of donor and free conduction band electrons across the metal-insulator transition in Si:GaAs [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Marcus Heidkamp

Marcus Heidkamp

Sujets

• Physik

Informations

• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2004
• Nombre de lectures: 9
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 53 Mo

Extrait

Spin-Coherence and -Dephasing
of Donor and Free Conduction Band Electrons
across the Metal-Insulator Transition in Si:GaAs
Von der Fakult¨at fu¨r Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften
der Rheinisch-Westf¨alischen Technischen Hochschule Aachen
zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Naturwissenschaften
genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Diplom-Physiker (Univ.) Marcus Heidkamp (M.A. UT Austin)
aus Schweinfurt
Berichter: Universit¨atsprofessor Dr. sc. nat. Gernot Gun¨ therodt
Universit¨atsprofessor Dr. rer. nat. Hans Luth¨
Tag der mundlic¨ hen Prufung¨ : 6. Dezember 2004
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek verfugb¨ ar.Contents
Contents ii
List of Figures vii
List of Tables xi
1 Introduction 1
1.1 Spintronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Status of Research . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2 Theory 5
2.1 The Semiconductor GaAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.1 Crystal Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.2 Electronic Band Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.3 Optical Orientation of Electron Spins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.4 Carrier Recombination and Spin Lifetimes . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.5 Larmor Precession . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Metal-Insulator Transition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.1 Mott-Hubbard Transition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.2 Mott-Anderson Transition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.3 Combining Anderson’s and Hubbard’s Theory. . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.4 Experimental Evidence for the MIT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.5 Magnetic Field Induced MIT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.6 Donor Susceptibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3 Dynamic Nuclear Polarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.4 Spin Dephasing Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.4.1 Inhomogeneous Dephasing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.4.2 Homogeneous Dephasing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.4.3 The Elliott-Yafet Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.4.4 The D’yakonov-Perel’ Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.4.5 The Bir-Aronov-Pikus Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.4.6 Nuclear Hyperfine Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.4.7 Electron-Electron Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.5 Parasitic Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.5.1 Spin Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.5.2 Reabsorption of Circularly Polarized Light . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.5.3 Intraband Relaxation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
∗2.6 Expressiveness of T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492
2.7 Universality of Spin Dephasing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
iiiContents
3 Experimental Methods and Setups 53
3.1 Electrical Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.2 Photoluminescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.3 Magnetic Depolarization (Hanle Effect) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.4eto-Optic Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.4.1 Faraday Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.4.2 Magneto-Optical Kerr Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.4.3 Detection of Polarization Rotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.5 Time-Resolved Optical Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.5.1 Optical Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.5.2 Data Acquisition Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.6 Resonant Spin Amplification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.7 Two-Color Pump-Probe Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4 Data Analysis 87
4.1 Raw Data Interpretation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.2 Fourier Transformation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.3 Multi-Component Nonlinear Regression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.4 RSA Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5 Experimental Results and Interpretation 99
5.1 Samples under Investigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.1.1 Sample Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.1.2 Photoluminescence Spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.1.3 Static Faraday Rotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.1.4 Optical Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.2 One-Color Time-Resolved Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.2.1 Spectroscopic Studies on the Spin Lifetimes . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.2.2 Excitation Power Dependence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.2.3 Temperature Dependent Spin Dephasing . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
5.2.4 Spin Coherence in a Magnetic Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5.2.5 Summary of the One-Color Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
5.3 Two-Color Time-Resolved Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
5.3.1 Spectroscopic Studies at Low Temperatures T =7K . . . . . . . . . . . 137
5.3.2 Spectroscopic Studies at Elevated Temperatures T =100K . . . . . . . 146
5.3.3 Summary of the Two-Color Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
5.4 Dynamic Nuclear Polarization and Hyperfine Coupling . . . . . . . . . . . . . . 151
5.4.1 Basic Phenomena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
5.4.2 Timescales for Dynamic Nuclear Polarization and Depolarization . . . . 154
5.4.3 Excitation Power Dependence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
5.4.4 Pump Energy Dependence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
5.4.5 Magnetic Field Dependence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
5.4.6 Open Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
5.4.7 Summary of the Dynamic Nuclear Polarization Results . . . . . . . . . 167
5.5 Relevance for Spintronics Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
6 Conclusion 169
A Fundamentals of Elliptical Polarization 171
A.1 Elliptical Polarization in the Circular System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
A.2 Approximation of the Kerr Rotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
A.3 Appro of the Kerr Ellipticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
ivContents
B Calibration of the Long Electronic Delay 177
C TTL-Mixer Design 181
D Mathematical Proofs 185
D.1 Inhomogeneous Dephasing Envelope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
D.2 Excess Energy Distribution between Electron and Hole . . . . . . . . . . . . . . 187
D.3 Derivation of the van der Pauw Coefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
D.4 Closed Form of the RSA Formula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
D.5 RSA in the Time Domain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
E Optical Components 193
E.1 General Handling of Optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
E.2 Alignment Procedures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
E.2.1 Mechanical Delay Line . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
E.2.2 Pump-Probe Overlap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
E.3 Spatial Filter and Beam Expander . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
E.4 Photoelastic Modulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
F Physical Constants 199
G Acronyms 201
Bibliography 203
vList of Figures
1.1 Spin Field-Effect Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Doping and Magnetic Field Dependence in Si:GaAs . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1 GaAs Crystal Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 GaAs Band Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3 Band Str near Γ-point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.4 Light-Hole Band Warping due to the Split-Off Band . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.5 Optical Selection Rules for Δm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.6 Spin-Polarized Photoluminescence in GaAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.7 Spin Orientation after Excitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .