Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
ОПТИЧЕСКАЯ ОРИЕНТАЦИЯ

ОПТИЧЕСКАЯ ОРИЕНТАЦИЯ

ОПТИЧЕСКАЯ ОРИЕНТАЦИЯ - в полупроводниках- возникновение преимуществ. направления спинов генерируемых носителейзарядов и взаимодействующих с ними ядерных спинов при освещении полупроводникациркулярно поляризов. светом. При правой поляризации спины ориентируютсяпротивоположно световому лучу, при левой - вдоль него. О. о. впервые обнаруженаЖ. 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 возникаетв результате спин-орбитального взаимодействия. Ядерные спины ориентируютсяза счёт сверхтонкого взаимодействия о фотовозбуждёнными ориентиров. электронами(см. Оверхацзера эффект). Кристаллич. анизотропия и коллективныйхарактер взаимодействия электронных и ядерных спинов определяют существенноеотличие О. о. в полупроводниках от оптической ориентации парамагн. <атомов газа.

Рис. 1. Схема оптических переходов поддействием правоциркулярно поляризованного , света в кристаллах A^IIIB^V; указаны проекции спинана ось г.

Наиб. полно исследована О. о. спинов вSi и соединениях группы A^IIIB^V. На рис. 1 показанасхема уровней у дна зоны проводимости и потолка валентных подзон для кристаллов A^IIIB^V. Зоны и образованывырожденными s-u р -атомными состояниями, к-рым соответствуютвеличины спина S =1/2, S =3/2, и S =1/2 (в единицах ).Каждый подуровень характеризуется проекцией спина на ось квантования, вкачестве 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 ( - шириназапрещённой зоны,- величина спин-орбитального расщепления валентной зоны), в соответствиис правилами отбора составляет 3:1. Это приводит к степени ориентации ( Р )электроновпри их рождении, равной =50%. Здесь - заселённости спиновых состояний в зоне проводимости. Средний по ансамблюспин электронов = 0,5 Р = 0,25. При увеличении энергии фотона до значений + включаютсяпереходы из отщеплённой валентной подзоны к-рые уменьшают разность заселенностей состояний зоны проводимости с S=1/2ивеличину Р. Зависимость Р( )позволяетопределить параметр

Трудность наблюдения О. о. в твёрдом телезаключается в её быстрой релаксации. Характерные времена спиновой релаксациидля электронов ~ 10^-7 - 10^-10 с, а для дырок ~10^-10 - 10^-13 с (что на много порядков меньше времёнспиновой релаксации свободных атомов в газах). Спиновая система ядер релаксируетмедленно:~ 10^-2 - 1 с в кристаллах А ^IIIB^v и ~ 10² - 10⁵ с в Si.

Методы обнаружения О. о. в полупроводникахбазируются либо на возможности наблюдения ориентиров. носителей за времена, <меньшие (метод поляризованной люминесценции), либо на наблюдения равновесной ядернойнамагниченности (см. ниже), сохраняющейся длит. время (метод ядерногомагнитного резонанса )и квантовой магнитометрии, использующей сквиды. Развиттакже метод, основанный на циркулярном фотогальваническом эффекте, в к-ромО. о. спинов приводит к появлению тока.

Метод поляризованной люминесценции основанна измерении степени циркулярной поляризации рекомбинационного излучения (люминесценции)с участием ориентированных носителей. При наблюдении люминесценции вдольвозбуждающего луча Если время жизни фотовозбуждённого неравновесного состояния то наблюдается значит. величина = (n₊ - n_-)/(n₊+ n_-), где - числа фотонов рекомбинац. излучения, поляризованных по правому и левомукругу.

При наблюдении люминесценции кристалловA^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. электронови их спиновой релаксации. Вращение S в поперечном магн. поле . приводитк уменьшению по закону

где

(g - фактор спектроскопич. расщепленияв магн. поле,- магнетон Бора). По внеш. проявлениям электронный эффект магн. деполяризациилюминесценции аналогичен Ханле эффекту. Осн. информация об О. о. <в кристаллах A^IIIB^V получена с помощью поляризов. <люминесценции (рис. 2).

Методы ЯМР и квантовоймагнитометрии. Большие времена спиновой релаксации ядер позволяют "накопить" в освещаемом полупроводнике ядерную поляризацию, нанеск. порядков превышающую её термодинамически равновесное значение. ПроцессыО. о. электронных спинов и наблюдение её результатов разделены во времени. <Созданную путём освещения в слабом магн. иоле ядерную поляризацию измеряютс помощью ЯМР-спектрометра или сквида. Этот метод эффективен для чистогоSi, в к-ром наблюдение поляризации люминесценции при О. о. затруднено из-засоотношения Отказ от регистрации люминесценции позволяет использовать непрямые оптич. <переходы с малыми квантовым выходом и коэф. поглощения. Это обеспечиваетполяризацию ядерных спинов в объёме образца.

Фотогальванический метод основан на эффектеасимметричного рассеяния ориентированных по спину электронов относительноплоскости, содержащей их спин и импульс р. Эдс возникает за счётасимметричного рассеяния. Изменение внеш. магн. поля, "разворачивающего"вектор относительно импульса р электрона, позволяет варьировать и наблюдатьфототок, пропорц.обусловленный О. о.

Применение. Методом О. о. в полупроводникеисследуются кинетич. и релаксац. явления, параметры зонной структуры, дефекты кристаллич. <структуры. Деполяризация рекомбинац. излучения в магн. поле, наблюдаемаяв A^IIIB^V, даёт информацию о механизмах рекомбинациии спиновой релаксации носителей. Для полупроводников характерны специфич. <типы спиновой релаксации: при низких темп-pax существенны обмен спиномс быстро релаксирующей дыркой (механизм Бира - Аронова - Пикуса), при комнатнойтемп-ре - механизм Дьяконова - Переля, обусловленный снятием спиновоговырождения зон в кристаллах без центра инверсии.

Спиновая "метка" фотовозбуждённых электронов, <двигающихся через области переменного состава в варизонных полупроводникахи полупроводниковых структурах, позволяет изучать диффузию и подвижностьперавновесных носителей, исследовать процесс переизлучения. Параметры зоннойструктуры исследуются по зависимости степени поляризации люминесценцииили эмитируемых в вакуум электронов от энергии квантов возбуждающего света.

О. о. электронов в кристаллах используетсядля получения интенсивных поляризов. пучков свободных электронов, т. к. <при спец. обработке поверхности кристаллов в высоком вакууме удаётся достичьотрицат. электронного сродства и обеспечить высокий квантовый выход фотоэлектроннойэмиссии.

О. о. ядерных спинов. Наиб. эффективноядерная поляризация осуществляется за счёт сверхтонкого взаимодействияэлектронов, локализованных на донорной примеси, причём для мелких уровнейэлектроны 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 _я достигает десятков кЭ). Одновременно на каждое ядросо стороны ориентиров. электронов действует флуктуирующее во времени (из-зарекомбинации и спиновой релаксации) поле электронов, ср. величина к-рого Н _э пропорц.,и при полной поляризации электронов (= ¹/₂) измеряется десятками Э. В результате в электронно-ядернойспин-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-ядернойспин-системы (ЭЯСС) полупроводника в условиях оптической ориентации: а- схема внутренней обратной связи в ЭЯСС; б - бистабильность поляризацииЭЯСС кристалла Al_0,24Ga_0,76As при Т = 77 К и углеj= 3° между Н и осью (110) кристалла, возбуждаемого светом вдольоси (100); в - неустойчивость поляризации ЭЯСС при = 6° (1) и =9,5° (2).

Поведение электронно-ядерной спин-системыв условиях О. о. описывается системой связанных нелинейных ур-ний. Приопределённой пространственной структуре поля Н _я естьобласти решений, где поляризация электронов и ядер бистабильна (рис. 3, б),а также решение, к-рое неустойчиво, что соответствует возникновению незатухающихколебаний (рис. 3, в). Бистабильность и неустойчивость поляризации люминесценциинаблюдались при О. о. в твёрдых растворах Al _хGa_{1- х}As,в к-рых существенную роль играет локальное нарушение кубич. симметрии, <вызванное частичным замещением атомов Ga на Аl. Период незатухающих колебанийrв зависимости от внеш. условий изменялся в диапазоне 10 - 50 с. Нелинейныеэффекты - следствие коллективного характера электронно-ядерных взаимодействийпри О. о. Они наблюдались в диапазоне Н ~0,1 - 1000 Э.

Оптическое охлаждение ядерной спин-системы (ЯСС).Энергетич. состояние ЯСС характеризуется спиновой темп-рой ,которая определяется спин-спиновым взаимодействием ядер. Это взаимодействиезначительно сильнее спин-решёточного, характеризующего обмен энергий междуЯСС и решёткой, что обеспечивает возможность достижения значений ,на неск. порядков меньше темп-ры решётки Т. Изменение ориентацииядер, вызванное взаимодействием с оптически ориентиров. электронами, сопровождаетсяизменением 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 связьмала, состояние с уменьшенной величиной ,соответствующее уменьшению числа возможных спиновых конфигурации, сохраняетсяв течение длит. времени Т _я. Если включить черезвремя t < Т _я измерительное поле то поляризация ядер вдоль Н _изм вызывает деполяризациюлюминесценции в течение времени релаксации ЯСС.

При оптпч. охлаждении ЯСС в кристаллахA^IIIB^V достигнуты ~ 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 такжеи в поле ориентиров. электронов Н _э, если Н = 0или В последнемслучае поляризация ядер вдоль Н может усиливать или ослаблять деполяризующеедействие Н в зависимости от взаимной ориентации Н и Н _я.На рис. 4 показана кривая для кристалла AlGaAs, в к-ром Н _я Н.При Н = Н _я действие поля компенсируется и величинаr( Н )восстанавливается до значения (0). Пунктир - зависимость ( Н )для электронов при Н _я =0. Действие света имеет следствиемохлаждение ЯСС, а поляризация ядер возникает в результате установлениятермодинамич. равновесия во внеш. поле в условиях низкой спиновой темп-ры.

Рис. 4. Магнитная деполяризация люминесценциикристалла Al_o,24Ga_0,76As при Т = 77 К и =45°;при Н=Н _Я

Оптическое детектирование парамагнитногорезонанса. В условиях накопления поляризации ядер на электронные спиныкроме внеш. поля действует эффективное поле ядер Н _я,что влияет на вид зависимостей ( Н )и позволяет оптически детектировать ЯМР в малых объёмах(~10^-7 см ³) при поглощении спета в приповерхностномслое с толщиной меньше 1 мкм. Значит. поляризация ядер, к-рая может бытьполучена в условиях оптич. охлаждения их спин-системы, позволяет обнаружитьЯМР в слабых внеш. магн. полях. Уменьшение Н _я в результатедеполяризации ядер в условиях резонанса приводит к изменению поляризациилюминесценции, что и делает возможным оптич. детектирование ЯМР. При этомудаётся наблюдать резонансные переходы с одноврем. переворотом спинов какв одной, так и в разных подрешётках кристалла (рис. 5).

В условиях О. о. ядерный резонанс можновозбудить без внеш. магн. поля Н, если промодулировать поляризациюили интенсивность возбуждающего света с частотой вблизи частоты ларморовойпрецессии 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 заселённостейподуровней ¹/₂ в зоне проводимости под действием переменного поля счастотой ЭПР. Уменьшение поляризации люминесценции в условиях ЭПР позволяетрегистрировать резонанс при малой концентрации неравновесных электронов. <Так были определены g -факторы ряда полупроводников, для к-рых обычнаятехника ЭПР была неэффективной.

Рис. 5. Спектр ЯМР в кристалле GaAs при .= 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 ихвозбуждения в кристаллах A^IIIB^V приводит к возрастаниюстепени циркулярной поляризации "горячей" люминесценции, наблюдаемой наКВ-краю линии рекомбинац. излучения Продольное (относительно возбуждающего луча) магн. поле Н нарушаеткорреляцию спина и импульса электронов из-за различия циклотронной частоты, характеризующейизменение импульса, и ларморовой частоты прецессии спина. Это приводитк необычному изменению циркулярной поляризации люминесценции в продольноммагн. поле - величина уменьшается. Анализ зависимостей позволяет изучать в стационарных условиях быстропротекающие процессы импульснойрелаксации с характерными временами

Лит.: Дьяконов М. И. и др., Ориентациялектронных спинов в полупроводниках, "УФЫ", 1971, т. 105, с. 772; 3ахарченяБ. П. и др., Спектр и поляризация фотолюминесценции горячих электроновв полупроводниках, "УФН", 1982, т. 136, с. 459; Оптическая ориентация, <под ред. Б. П. Захарчени и Ф. Манера, М. - Л., 1990.

В. Г. Флейшер.