《寬禁帶半導體納米材料中自旋弛豫和光學相干操縱研究》是依託山東師範大學，由馬紅擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：寬禁帶半導體納米材料中自旋弛豫和光學相干操縱研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：馬紅
- 依託單位：山東師範大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
自旋弛豫過程決定著自旋弛豫壽命和自旋輸運距離,是半導體自旋電子學研究的核心課題。寬禁帶半導體納米材料具有較長的自旋弛豫時間，是短波波段製備自旋電子器件的首選材料。本項目根據光學取向原理注入自旋極化電子，利用基於超短雷射脈衝的時間分辨技術，研究寬禁帶納米材料中第一激子峰波段共振激發時的自旋動力學過程。利用圓偏振抽運探測光譜研究材料的自旋弛豫過程，探索材料的種類、尺寸、表面等內部因素和激發載流子濃度、溫度、外場等外部因素對自旋弛豫壽命的影響；利用法拉第/克爾旋光技術研究材料的瞬態磁光回響光譜的動態演化，探索寬禁帶半導體中光誘導磁光回響的性質和物理機制，並對自旋相干電子進行全光控制；利用格林函式方法，考慮所有自旋相互作用，模擬寬禁帶半導體中自旋弛豫機制。項目的研究結果不僅可以豐富自旋電子學的實驗數據,而且為紫外波段自旋電子器件的設計和製作提供有力的支持。
結題摘要
隨著集成度和運行速度的不斷提高，以荷電性為基礎的傳統電子器件的局限性越來越明顯，利用自旋特性替代或結合荷電性為基礎的自旋電子器件成為新一代電子器件，因此自旋電子學也成為近幾年國際研究熱點。本項目以傳統半導體CdSe量子點和 “新材料”鈣鈦礦APbX3薄膜以及量子點為研究對象，利用超快雷射光譜研究了材料的磁光效應和自旋動力學過程；利用第一性原理計算了芴基有機分子的雙光子吸收和光限幅特性。主要研究成果包括：（1）利用時間分辨法拉第旋轉光譜研究了不同尺寸的CdSe量子點的橢偏率、自旋退相壽命和g因子。結果表明橢偏率光譜包括一個幾皮秒的空穴弛豫過程和一個幾百皮秒的拉莫爾進動過程，擬合橢偏率光譜得到拉莫爾進動頻率和自旋退相壽命。自旋退相壽命隨著外加磁場的增加而縮短，主要退相機制為載流子的非均勻展寬。而g因子隨著量子點尺寸的減小而增加，這是由量子尺寸效應引起；（2）利用圓偏振抽運探測技術和法拉第旋轉技術研究了低溫加工的雜化鈣鈦礦CH3NH3PbI3薄膜（76nm）材料的磁光效應和自旋動力學過程。強自旋軌道耦合效應使得鈣鈦礦材料的自旋極化成為可能，同時也加速了自旋弛豫過程。研究發現CH3NH3PbI3薄膜材料具有皮秒量級的自旋弛豫壽命，即使在77K的液氮溫度，電子和空穴自旋弛豫壽命只有7ps和1ps，比傳統半導體材料快的多。但是它卻有超大的法拉第旋轉角，達到9.6°/μm。根據自旋弛豫壽命與溫度的依賴關係，可知EY機制是鈣鈦礦材料自旋弛豫最關鍵的機制；（3）鈣鈦礦APbX3量子點的磁光效應和自旋動力學研究，根據橢偏率光譜符號與抽運光波長之間的關係，我們確定磁光效應來源於自旋軌道耦合引起的能級分裂。最重要的是我們研究了具有不同種類的陽離子和陰離子材料的旋轉角和自旋動力學，發現旋轉角的大小和自旋弛豫壽命的長短與離子的種類無關，因此這些性質是由Pb元素決定的。CH3NH3PbI3量子點薄膜材料的法拉第旋轉角達到58°/μm，遠超過CdSe量子點、稀磁半導體和BiFeO3等其它元素的鈣鈦礦材料，是製備磁光隔離器件和磁光開關的優異材料；（4）另外我們利用FDTD方法理論研究了飛秒/納秒作用下芴基有機分子非線性吸收和光限幅特性，發現分子的吸收係數與分子末端集團的長度有密切關係。另外，雷射脈衝寬度、分子環境等因素對吸收係數也有不可忽視的影響，該類材料是製備光限幅器件的重要候選者。
