Оптическая ориентация в полупроводниках. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Оптическая ориентация в полупроводниках - возникновение преимуществ. направления спинов генерируемых носителей зарядов и взаимодействующих с ними ядерных спинов при освещении полупроводника циркулярно поляризов. светом. При правой поляризации спины ориентируются противоположно световому лучу, при левой - вдоль него. О. о. впервые обнаружена Ж. Лампелем (J. Lampel, 1968), теория создана В. И. Перелем и М. И. Дьяконовым (1971). О. о. обусловлена передачей угл. момента цпр-кулярно поляризов. фотонов носителям заряда и ядрам. Спиновая ориентация носителей возникает в результате спин-орбитального взаимодействия. Ядерные спины ориентируются за счёт сверхтонкого взаимодействия о фотовозбуждёнными ориентиров. электронами (см. Оверхацзера эффект). Кристаллич. анизотропия и коллективный характер взаимодействия электронных и ядерных спинов определяют существенное отличие О. о. в полупроводниках от оптической ориентации парамагн. атомов газа.

Рис. 1. Схема оптических переходов под действием правоциркулярно поляризованного

, света в кристаллах A^IIIB^V; указаны проекции спина на ось г.

Наиб. полно исследована О. о. спинов в Si и соединениях группы A^IIIB^V. На рис. 1 показана схема уровней у дна зоны проводимости

и потолка валентных подзон

для кристаллов A^IIIB^V. Зоны

образованы вырожденными s- u р-атомными состояниями, к-рым соответствуют величины спина S = 1/2, S = 3/2, и S = 1/2 (в единицах

). Каждый подуровень характеризуется проекцией спина на ось квантования, в качестве к-рой выбирается направление светового луча (ось z, рис. 2).

Отношение интенсивностей переходов -³/₂ -¹/_2, и -¹/₂ +¹/₂, проходящих при поглощении правополяризованных

" фотонов с энергией

удовлетворяющее условию

(

- ширина запрещённой зоны,

- величина спин-орбитального расщепления валентной зоны), в соответствии с правилами отбора составляет 3:1. Это приводит к степени ориентации (Р)электронов при их рождении, равной

=50%. Здесь

- заселённости спиновых состояний в зоне проводимости. Средний по ансамблю спин электронов

= 0,5Р = 0,25. При увеличении энергии фотона до значений

включаются переходы из отщеплённой валентной подзоны

к-рые уменьшают разность заселенностей состояний зоны проводимости с S = 1/2и величину Р. Зависимость Р()позволяет определить параметр

Трудность наблюдения О. о. в твёрдом теле заключается в её быстрой релаксации. Характерные времена спиновой релаксации для электронов

~ 10^-7 - 10^-10 с, а для дырок

~ 10^-10 - 10^-13 с (что на много порядков меньше времён спиновой релаксации свободных атомов в газах). Спиновая система ядер релаксирует медленно:

~ 10^-2 - 1 с в кристаллах А^IIIB^v и

~ 10² - 10⁵ с в Si.
Методы обнаружения О. о. в полупроводниках базируются либо на возможности наблюдения ориентиров. носителей за времена, меньшие

(метод поляризованной люминесценции), либо на наблюдения равновесной ядерной намагниченности (см. ниже), сохраняющейся длит. время (метод ядерного магнитного резонанса)и квантовой магнитометрии, использующей сквиды .Развит также метод, основанный на циркулярном фотогальваническом эффекте, в к-ром О. о. спинов приводит к появлению тока.
Метод поляризованной люминесценции основан на измерении степени

циркулярной поляризации рекомбинационного излучения (люминесценции) с участием ориентированных носителей. При наблюдении люминесценции вдоль возбуждающего луча

Если время жизни фотовозбуждённого неравновесного состояния

то наблюдается значит. величина

= (n₊ - n_-)/(n₊ + n_-), где

- числа фотонов рекомбинац. излучения, поляризованных по правому и левому кругу.
При наблюдении люминесценции кристаллов A^IIIB^V в направлении возбуждающего луча света

из-за быстрой релаксации вклад поляризации дырок пренебрежимо мал.
Наложение поперечного магн. поля (напр., вдоль оси ох) приводит к ларморовой прецессии спина и уменьшению

в дополнение к его понижению вследствие рекомбинации ориентиров. электронов и их спиновой релаксации. Вращение S в поперечном магн. поле Н приводит к уменьшению

по закону

где

(g - фактор спектроскопич. расщепления в магн. поле,

- магнетон Бора). По внеш. проявлениям электронный эффект магн. деполяризации люминесценции аналогичен Ханле эффекту .Осн. информация об О. о. в кристаллах A^IIIB^V получена с помощью поляризов. люминесценции (рис. 2).

Методы ЯМР и квантовой магнитометрии. Большие времена спиновой релаксации ядер

позволяют "накопить" в освещаемом полупроводнике ядерную поляризацию, на неск. порядков превышающую её термодинамически равновесное значение. Процессы О. о. электронных спинов и наблюдение её результатов разделены во времени. Созданную путём освещения в слабом магн. иоле ядерную поляризацию измеряют с помощью ЯМР-спектрометра или сквида. Этот метод эффективен для чистого Si, в к-ром наблюдение поляризации люминесценции при О. о. затруднено из-за соотношения

Отказ от регистрации люминесценции позволяет использовать непрямые оптич. переходы с малыми квантовым выходом и коэф. поглощения. Это обеспечивает поляризацию ядерных спинов в объёме образца.
Фотогальванический метод основан на эффекте асимметричного рассеяния ориентированных по спину электронов относительно плоскости, содержащей их спин и импульс р. Эдс возникает за счёт асимметричного рассеяния. Изменение внеш. магн. поля, "разворачивающего" вектор

относительно импульса р электрона, позволяет варьировать и наблюдать фототок, пропорц.

обусловленный О. о.

Применение. Методом О. о. в полупроводнике исследуются кинетич. и релаксац. явления, параметры зонной структуры, дефекты кристаллич. структуры. Деполяризация рекомбинац. излучения в магн. поле, наблюдаемая в A^IIIB^V, даёт информацию о механизмах рекомбинации и спиновой релаксации носителей. Для полупроводников характерны специфич. типы спиновой релаксации: при низких темп-pax существенны обмен спином с быстро релаксирующей дыркой (механизм Бира - Аронова - Пикуса), при комнатной температуре - механизм Дьяконова - Переля, обусловленный снятием спинового вырождения зон в кристаллах без центра инверсии.
Спиновая "метка" фотовозбуждённых электронов, двигающихся через области переменного состава в варизонных полупроводниках и полупроводниковых структурах, позволяет изучать диффузию и подвижность перавновесных носителей, исследовать процесс переизлучения. Параметры зонной структуры исследуются по зависимости степени поляризации люминесценции или эмитируемых в вакуум электронов от энергии квантов возбуждающего света.
О. о. электронов в кристаллах используется для получения интенсивных поляризов. пучков свободных электронов, т. к. при спец. обработке поверхности кристаллов в высоком вакууме удаётся достичь отрицат. электронного сродства и обеспечить высокий квантовый выход фотоэлектронной эмиссии.

О. о. ядерных спинов. Наиб. эффективно ядерная поляризация осуществляется за счёт сверхтонкого взаимодействия электронов, локализованных на донорной примеси, причём для мелких уровней электроны взаимодействуют с большим числом ядер (напр., 10⁵ для GaAs). При этом действующее на электрон ср. суммарное поле всех ядер (Н_я), находящихся в области локализации этого электрона, даже при незначит. степени поляризации ядер (Р_я)может быть большим (в GaAs Н_ядостигает десятков кЭ). Одновременно на каждое ядро со стороны ориентиров. электронов действует флуктуирующее во времени (из-за рекомбинации и спиновой релаксации) поле электронов, ср. величина к-рого Н_эпропорц.

, и при полной поляризации электронов (

= ¹/₂) измеряется десятками Э. В результате в электронно-ядерной спин-системе в условиях О. о. действует внутр. обратная связь, т. к. величина

определяется суммарным полем Н_я + Н (Н - внеш. поле), а величина Н_я в свою очередь зависит от

(рис. 3, а).

Рис. 3. Нелинейность поляризации электронно-ядерной спин-системы (ЭЯСС) полупроводника в условиях оптической ориентации: а - схема внутренней обратной связи в ЭЯСС; б - бистабильность поляризации ЭЯСС кристалла Al_0,24Ga_0,76As при Т = 77 К и угле j = 3° между Н и осью (110) кристалла, возбуждаемого светом вдоль оси (100); в - неустойчивость поляризации ЭЯСС при

= 6° (1) и= 9,5° (2).

Поведение электронно-ядерной спин-системы в условиях О. о. описывается системой связанных нелинейных ур-ний. При определённой пространственной структуре поля Н_я есть области решений, где поляризация электронов и ядер бистабильна (рис. 3, б), а также решение, к-рое неустойчиво, что соответствует возникновению незатухающих колебаний (рис. 3, в). Бистабильность и неустойчивость поляризации люминесценции наблюдались при О. о. в твёрдых растворах Al_хGa_1-хAs, в к-рых существенную роль играет локальное нарушение кубич. симметрии, вызванное частичным замещением атомов Ga на Аl. Период незатухающих колебаний r в зависимости от внеш. условий изменялся в диапазоне 10 - 50 с. Нелинейные эффекты - следствие коллективного характера электронно-ядерных взаимодействий при О. о. Они наблюдались в диапазоне Н ~ 0,1 - 1000 Э.

Оптическое охлаждение ядерной спин-системы (ЯСС). Энергетич. состояние ЯСС характеризуется спиновой температурой

, которая определяется спин-спиновым взаимодействием ядер. Это взаимодействие значительно сильнее спин-решёточного, характеризующего обмен энергий между ЯСС и решёткой, что обеспечивает возможность достижения значений

, на неск. порядков меньше температуры решётки Т. Изменение ориентации ядер, вызванное взаимодействием с оптически ориентиров. электронами, сопровождается изменением энергии ядерных спинов в их локальном поле Н_л, созданном на данном ядре всеми остальными ядрами. Согласно теории:

где I и

- спин и магн. момент ядра. Мерой

в поле Н служит ср. спин-ядер:

(Н_я пропорц.

). После выключения поля Н поляризация ядер исчезает

и величина

не может быть измерена непосредственно. Однако, т. к. спин-решёточная связь мала, состояние с уменьшенной величиной

, соответствующее уменьшению числа возможных спиновых конфигурации, сохраняется в течение длит. времени Т_я. Если включить через время t < Т_я измерительное поле

то поляризация ядер вдоль Н_изм вызывает деполяризацию люминесценции в течение времени релаксации ЯСС.
При оптпч. охлаждении ЯСС в кристаллах A^IIIB^Vдостигнуты

~ 1 - 5 х 10^-6 К. а для магниторазбавленной системы ядер ²⁹Si (4%) в кремнии получены

~ 10^-4 - 10^-5 К.
Оптич. охлаждение ядер возможно также и в поле ориентиров. электронов Н_э, если Н = 0 или

В последнем случае поляризация ядер вдоль Н может усиливать или ослаблять деполяризующее действие Н в зависимости от взаимной ориентации Н и Н_я. На рис. 4 показана кривая

для кристалла AlGaAs, в к-ром Н_яН. При Н = Н_я действие поля компенсируется и величина r(Н) восстанавливается до значения

(0). Пунктир - зависимость

(Н) для электронов при Н_я =0. Действие света имеет следствием охлаждение ЯСС, а поляризация ядер возникает в результате установления термодинамич. равновесия во внеш. поле в условиях низкой спиновой температуры.

Рис. 4. Магнитная деполяризация люминесценции кристалла Al_o,24Ga_0,76As при Т = 77 К и

=45°; при Н=Н_Я

Оптическое детектирование парамагнитного резонанса. В условиях накопления поляризации ядер на электронные спины кроме внеш. поля действует эффективное поле ядер Н_я, что влияет на вид зависимостей

(Н) и позволяет оптически детектировать ЯМР в малых объёмах (~10^-7 см³) при поглощении спета в приповерхностном слое с толщиной меньше 1 мкм. Значит. поляризация ядер, к-рая может быть получена в условиях оптич. охлаждения их спин-системы, позволяет обнаружить ЯМР в слабых внеш. магн. полях. Уменьшение Н_я в результате деполяризации ядер в условиях резонанса приводит к изменению поляризации люминесценции, что и делает возможным оптич. детектирование ЯМР. При этом удаётся наблюдать резонансные переходы с одноврем. переворотом спинов как в одной, так и в разных подрешётках кристалла (рис. 5).
В условиях О. о. ядерный резонанс можно возбудить без внеш. магн. поля Н, если промодулировать поляризацию или интенсивность возбуждающего света с частотой вблизи частоты ларморовой прецессии ядерных спинов в поле

В этом случае роль внеш. поля Н играет осциллирующее поле электронов Н_э.
Оптич. детектирование электронного парамагн. резонанса (ЭПР) основано на уменьшении созданной светом разности заселённостей подуровней

¹/₂ в зоне проводимости под действием переменного поля

с частотой ЭПР. Уменьшение поляризации люминесценции в условиях ЭПР позволяет регистрировать резонанс при малой концентрации неравновесных электронов. Так были определены g -факторы ряда полупроводников, для к-рых обычная техника ЭПР была неэффективной.

Рис. 5. Спектр ЯМР в кристалле GaAs при Т = 1,9 К и разных амплитудах переменного магнитного поля (рис. 2): а - одно-спиновый резонанс (

~ 0,16 Э), б - одно- и двухспиновые (

~ 1,6 Э), в - двух- и трёхспиновые (

~ 9,6 Э).

Спиновая ориентация горячих электронов. Корреляция между ориентациями спинов и импульсов электронов в момент их возбуждения в кристаллах A^IIIB^V приводит к возрастанию степени циркулярной поляризации "горячей" люминесценции, наблюдаемой на КВ-краю линии рекомбинац. излучения

Продольное (относительно возбуждающего луча) магн. поле Н нарушает корреляцию спина и импульса электронов из-за различия циклотронной частоты, характеризующей изменение импульса, и ларморовой частоты прецессии спина. Это приводит к необычному изменению циркулярной поляризации люминесценции в продольном магн. поле - величина

уменьшается. Анализ зависимостей

позволяет изучать в стационарных условиях быстропротекающие процессы импульсной релаксации с характерными временами

Литература по оптической ориентации в полупроводниках

Знаете ли Вы, что низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тысяч кмилометров в секунду при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.