nGaN與GaAs材料中電子自旋極化及弛豫動力學(xué)的對比剖析一、引言1.1研究背景與意義隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，對電子器件性能的要求日益提高，傳統(tǒng)的基于電子電荷屬性的電子學(xué)逐漸面臨著物理極限和能耗等問題。在此背景下，自旋電子學(xué)應(yīng)運而生，成為當(dāng)今凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點之一。自旋電子學(xué)，又被稱為磁電子學(xué)，它是一門利用電子的自旋屬性來進行信息存儲、處理和傳輸?shù)男屡d學(xué)科，與傳統(tǒng)電子學(xué)僅利用電子電荷屬性不同，自旋電子學(xué)的誕生為突破傳統(tǒng)電子學(xué)瓶頸提供了新的途徑，有望在未來實現(xiàn)更小尺寸、更高速度、更低能耗的電子器件，對推動信息技術(shù)的進一步發(fā)展具有重要意義。在自旋電子學(xué)的研究中，半導(dǎo)體材料因其獨特的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)而扮演著至關(guān)重要的角色。其中，n型氮化鎵（nGaN）和砷化鎵（GaAs）作為兩種重要的半導(dǎo)體材料，受到了廣泛的關(guān)注。nGaN具有寬禁帶、高電子遷移率、高擊穿電場等優(yōu)異特性，使其在高溫、高頻、大功率器件以及光電器件等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。例如，在藍光發(fā)光二極管（LED）和激光二極管（LD）中，nGaN作為關(guān)鍵材料實現(xiàn)了高效的藍光發(fā)射，推動了照明和顯示技術(shù)的重大變革。在功率電子器件方面，基于nGaN的高電子遷移率晶體管（HEMT）具有低導(dǎo)通電阻、高開關(guān)速度等優(yōu)點，可顯著提高電力轉(zhuǎn)換效率，在電動汽車、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。GaAs則是一種典型的III-V族化合物半導(dǎo)體，具有較高的電子遷移率和良好的光學(xué)性能，在高速電子器件、光電器件以及微波器件等方面有著廣泛的應(yīng)用。例如，在高速集成電路中，GaAs器件能夠?qū)崿F(xiàn)更高的工作頻率和更低的功耗，適用于高速通信、雷達等領(lǐng)域。在光電器件方面，GaAs基的光電探測器、發(fā)光二極管等具有響應(yīng)速度快、發(fā)光效率高等優(yōu)點，在光纖通信、光存儲等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。電子的自旋極化和弛豫動力學(xué)是自旋電子學(xué)研究的核心內(nèi)容之一。電子自旋極化是指電子的自旋在某一方向上具有傾向性分布，而自旋弛豫則是指自旋極化的電子在與周圍環(huán)境相互作用的過程中，逐漸失去自旋極化狀態(tài)，恢復(fù)到熱平衡狀態(tài)的過程。深入研究nGaN和GaAs材料中電子自旋極化和弛豫動力學(xué)，對于理解自旋相關(guān)的物理過程、開發(fā)基于自旋的新型電子器件具有重要的理論和實際意義。一方面，通過研究電子自旋極化的產(chǎn)生、調(diào)控和檢測方法，可以為實現(xiàn)高效的自旋注入和自旋操控提供理論基礎(chǔ)，這是自旋電子器件實現(xiàn)其功能的關(guān)鍵步驟。另一方面，對電子自旋弛豫動力學(xué)的研究有助于揭示自旋與材料晶格、雜質(zhì)、缺陷等之間的相互作用機制，從而為延長自旋壽命、提高自旋電子器件的性能提供指導(dǎo)。例如，在自旋電子存儲器中，延長自旋壽命可以提高存儲信息的穩(wěn)定性和持久性；在自旋邏輯器件中，精確控制自旋弛豫過程有助于實現(xiàn)快速、低功耗的邏輯運算。綜上所述，nGaN和GaAs材料由于其優(yōu)異的物理性質(zhì)和在自旋電子學(xué)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用價值，成為研究電子自旋極化和弛豫動力學(xué)的理想材料體系。對這兩種材料中電子自旋相關(guān)特性的深入研究，不僅有助于豐富和完善自旋電子學(xué)的基礎(chǔ)理論，還將為新型自旋電子器件的研發(fā)和應(yīng)用提供有力的支持，推動自旋電子學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，進而為信息技術(shù)的進步帶來新的機遇。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在nGaN材料的電子自旋極化和弛豫動力學(xué)研究方面，國內(nèi)外學(xué)者已取得了一系列有價值的成果。早期的研究主要集中在利用光學(xué)方法，如時間分辨克爾效應(yīng)（TRKR）和光致發(fā)光（PL）技術(shù)，來探測nGaN中電子的自旋極化和弛豫特性。例如，有國外研究團隊通過TRKR實驗，成功觀測到nGaN中電子自旋極化的超快建立和弛豫過程，并發(fā)現(xiàn)自旋弛豫時間在低溫下可達數(shù)納秒。他們還研究了不同激發(fā)光強度下自旋極化的變化規(guī)律，揭示了激發(fā)態(tài)載流子濃度對自旋弛豫的影響機制。國內(nèi)學(xué)者也在這方面開展了深入研究，通過優(yōu)化樣品制備工藝和實驗條件，進一步提高了對nGaN中電子自旋特性的探測精度，并探討了材料中雜質(zhì)和缺陷對自旋極化和弛豫的影響。有研究發(fā)現(xiàn)，nGaN中的雜質(zhì)（如氧、硅等）和缺陷（如位錯、點缺陷等）會引入額外的散射中心，從而影響電子的自旋弛豫過程，縮短自旋壽命。在自旋注入和調(diào)控方面，國內(nèi)外研究人員進行了大量的嘗試。一些國外科研小組采用鐵磁金屬/nGaN異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，通過自旋極化電流注入的方式，實現(xiàn)了nGaN中的電子自旋極化，并研究了界面特性對自旋注入效率的影響。他們發(fā)現(xiàn)，界面處的晶格失配和缺陷會導(dǎo)致自旋散射增強，降低自旋注入效率。為了克服這一問題，國內(nèi)研究團隊提出了多種改進方案，如在界面處插入緩沖層、采用新型的自旋注入材料等。通過這些方法，有效地改善了界面質(zhì)量，提高了自旋注入效率，為nGaN基自旋電子器件的制備奠定了基礎(chǔ)。對于GaAs材料，其電子自旋極化和弛豫動力學(xué)的研究歷史更為悠久，成果也較為豐富。在早期，利用光泵浦-探測技術(shù)對GaAs中電子自旋特性的研究就取得了重要突破，精確測量了電子的自旋弛豫時間，并確定了其主要的自旋弛豫機制，如D'yakonov-Perel'（DP）機制、Bir-Aronov-Pikus（BAP）機制和超精細相互作用（HFI）機制等。其中，DP機制是由于晶體的自旋軌道耦合作用，導(dǎo)致電子自旋在運動過程中發(fā)生進動，從而引起自旋弛豫；BAP機制則是通過電子與空穴之間的交換相互作用，使電子自旋發(fā)生弛豫；HFI機制是電子自旋與原子核自旋之間的相互作用導(dǎo)致的自旋弛豫。隨著研究的深入，國內(nèi)外學(xué)者開始關(guān)注如何通過外部條件（如電場、磁場、溫度等）和材料結(jié)構(gòu)（如量子阱、量子點等）來調(diào)控GaAs中電子的自旋極化和弛豫。例如，通過在GaAs量子阱中施加電場，實現(xiàn)了對電子自旋軌道耦合強度的調(diào)控，進而有效地控制了自旋弛豫過程。一些研究還表明，在GaAs量子點中，由于量子限域效應(yīng)的存在，電子的自旋弛豫時間可以得到顯著延長。此外，在自旋檢測方面，國內(nèi)外研究人員也開發(fā)了多種先進的技術(shù)，如基于自旋相關(guān)輸運的電學(xué)檢測方法和基于光發(fā)射的光學(xué)檢測方法等，這些技術(shù)為深入研究GaAs中電子自旋特性提供了有力的手段。盡管國內(nèi)外在nGaN和GaAs材料中電子自旋極化和弛豫動力學(xué)研究方面取得了諸多成果，但仍存在一些尚未解決的問題和研究空白。一方面，對于nGaN材料，雖然在自旋注入和弛豫機制研究方面取得了一定進展，但在高載流子濃度和高溫條件下，電子自旋極化和弛豫的特性及相關(guān)機制還不夠明確，這限制了nGaN基自旋電子器件在大功率和高溫環(huán)境下的應(yīng)用。此外，如何進一步提高自旋注入效率，并實現(xiàn)自旋極化的穩(wěn)定、高效調(diào)控，仍然是亟待解決的關(guān)鍵問題。另一方面，在GaAs材料中，雖然對其自旋弛豫機制有了較為深入的理解，但在復(fù)雜的多量子阱和量子點結(jié)構(gòu)中，電子之間的相互作用以及自旋-軌道耦合與其他因素的協(xié)同作用對自旋極化和弛豫的影響，還需要進一步深入研究。同時，如何將GaAs的自旋相關(guān)特性與其他材料或技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)出具有更高性能和多功能的自旋電子器件，也是當(dāng)前研究的一個重要方向。綜上所述，本研究將針對nGaN和GaAs材料中電子自旋極化和弛豫動力學(xué)研究中存在的上述問題和空白展開，通過理論分析和實驗研究相結(jié)合的方法，深入探究在不同條件下兩種材料中電子自旋的行為及相關(guān)機制，為新型自旋電子器件的研發(fā)提供更堅實的理論基礎(chǔ)和實驗依據(jù)。1.3研究方法與創(chuàng)新點本研究綜合運用理論分析、實驗研究和數(shù)值模擬等多種方法，對nGaN和GaAs材料中電子自旋極化和弛豫動力學(xué)展開深入探究。在理論分析方面，基于半導(dǎo)體物理、量子力學(xué)和自旋電子學(xué)的基本原理，建立適用于nGaN和GaAs材料的電子自旋理論模型。運用量子力學(xué)的微擾理論，考慮材料中的自旋-軌道耦合、電子-聲子相互作用、電子-雜質(zhì)相互作用等因素，推導(dǎo)電子自旋極化和弛豫的相關(guān)理論公式，從理論層面深入分析自旋極化的產(chǎn)生機制、自旋弛豫的物理過程以及各種因素對自旋特性的影響。例如，通過求解含時薛定諤方程，結(jié)合自旋-軌道耦合哈密頓量，研究在外部電場和磁場作用下，nGaN和GaAs中電子自旋態(tài)的演化規(guī)律，預(yù)測自旋極化和弛豫時間隨材料參數(shù)和外部條件的變化趨勢。實驗研究是本課題的重要組成部分。采用先進的分子束外延（MBE）和金屬有機化學(xué)氣相沉積（MOCVD）技術(shù)，精確控制生長條件，制備高質(zhì)量的nGaN和GaAs單晶薄膜以及相關(guān)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，為后續(xù)的實驗研究提供優(yōu)質(zhì)的樣品。利用時間分辨克爾效應(yīng)（TRKR）系統(tǒng)，通過超快激光脈沖激發(fā)樣品，測量電子自旋極化隨時間的變化，精確獲取自旋弛豫時間。結(jié)合光致發(fā)光（PL）光譜技術(shù)，研究不同激發(fā)條件下材料的發(fā)光特性，分析電子自旋極化對發(fā)光過程的影響，進一步揭示自旋相關(guān)的物理機制。在自旋注入實驗中，構(gòu)建鐵磁金屬/nGaN和鐵磁金屬/GaAs異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，運用四探針法測量自旋注入電流和自旋極化率，研究界面特性、外加磁場等因素對自旋注入效率的影響。數(shù)值模擬方法則作為理論分析和實驗研究的有力補充。利用第一性原理計算軟件，如VASP（ViennaAbinitioSimulationPackage），對nGaN和GaAs材料的原子結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)以及自旋相關(guān)的物理性質(zhì)進行模擬計算。通過模擬不同雜質(zhì)和缺陷存在下材料的電子態(tài)密度和自旋密度分布，深入了解雜質(zhì)和缺陷對電子自旋極化和弛豫的微觀作用機制。采用蒙特卡羅方法，建立電子自旋輸運的數(shù)值模型，考慮材料中的散射過程、自旋-軌道耦合等因素，模擬電子在材料中的自旋動力學(xué)行為，與理論分析和實驗結(jié)果進行對比驗證，為實驗結(jié)果的解釋和理論模型的完善提供支持。本研究的創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：在研究視角上，首次對nGaN和GaAs這兩種具有不同特性和應(yīng)用領(lǐng)域的半導(dǎo)體材料，在同一研究框架下進行系統(tǒng)的電子自旋極化和弛豫動力學(xué)對比研究。通過這種對比分析，揭示兩種材料中自旋相關(guān)特性的共性和差異，為全面理解半導(dǎo)體中電子自旋行為提供新的視角，也為根據(jù)不同應(yīng)用需求選擇合適的自旋電子學(xué)材料提供了理論依據(jù)。在方法運用上，創(chuàng)新性地將多種先進的實驗技術(shù)和理論計算方法相結(jié)合，形成一套全面、系統(tǒng)的研究體系。例如，在實驗中，將TRKR技術(shù)與PL光譜技術(shù)相結(jié)合，不僅能夠測量電子自旋弛豫時間，還能從發(fā)光特性的角度深入分析自旋極化對光電器件性能的影響；在理論計算中，將第一性原理計算與蒙特卡羅模擬相結(jié)合，從微觀原子尺度和宏觀輸運過程兩個層面研究電子自旋行為，提高了研究結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。在研究結(jié)論上，預(yù)期能夠在高載流子濃度和高溫條件下，對nGaN中電子自旋極化和弛豫的特性及相關(guān)機制取得新的認識，為解決nGaN基自旋電子器件在大功率和高溫環(huán)境下的應(yīng)用問題提供關(guān)鍵的理論支持。同時，在GaAs復(fù)雜結(jié)構(gòu)中電子相互作用以及自旋-軌道耦合與其他因素協(xié)同作用對自旋極化和弛豫的影響研究方面，有望取得突破性的成果，為開發(fā)新型高性能的GaAs基自旋電子器件開辟新的途徑。二、nGaN與GaAs材料基礎(chǔ)2.1nGaN材料特性nGaN即n型氮化鎵，屬于寬禁帶半導(dǎo)體材料，在現(xiàn)代半導(dǎo)體器件應(yīng)用中具有獨特的地位。其晶體結(jié)構(gòu)通常為六方晶系的纖鋅礦結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)賦予了nGaN一些優(yōu)異的物理性質(zhì)。在纖鋅礦結(jié)構(gòu)中，氮（N）原子和鎵（Ga）原子通過共價鍵相互連接，形成了穩(wěn)定的三維晶格。每個Ga原子周圍有四個N原子，形成正四面體結(jié)構(gòu)，反之亦然，這種緊密的原子排列方式對nGaN的電學(xué)和力學(xué)性能產(chǎn)生了重要影響。例如，其較高的硬度和機械穩(wěn)定性部分歸因于這種晶體結(jié)構(gòu)，使得nGaN在一些需要承受機械應(yīng)力的應(yīng)用場景中表現(xiàn)出色，如高功率電子器件的散熱基板等。從能帶結(jié)構(gòu)來看，nGaN具有約3.4eV的寬禁帶寬度，這與硅（Si）的1.1eV和砷化鎵（GaAs）的1.43eV相比，具有明顯的優(yōu)勢。寬禁帶使得nGaN能夠在更高的溫度下保持良好的電學(xué)性能，因為在高溫環(huán)境中，本征載流子濃度的增加相對較慢，從而保證了器件的穩(wěn)定性和可靠性。例如，在高溫功率電子器件應(yīng)用中，nGaN器件能夠在比傳統(tǒng)Si器件更高的溫度下正常工作，減少了對復(fù)雜散熱系統(tǒng)的依賴，提高了能源利用效率。在nGaN的能帶結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)帶底位于布里淵區(qū)中心，具有較高的電子遷移率。在室溫下，nGaN的電子遷移率可達約1000-2000cm2/（V?s），這使得電子在nGaN材料中能夠快速移動，有利于實現(xiàn)高速電子器件。高電子遷移率使得nGaN在高頻電子器件領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，如在5G通信中的射頻功率放大器中，基于nGaN的器件能夠?qū)崿F(xiàn)更高的工作頻率和功率效率，提高通信信號的傳輸質(zhì)量和覆蓋范圍。此外，nGaN還具有較高的擊穿電場強度，可達約3MV/cm。這一特性使得nGaN在功率電子器件中能夠承受更高的電壓，降低器件的導(dǎo)通電阻，減少能量損耗。以功率晶體管為例，nGaN基晶體管能夠在高電壓下實現(xiàn)高效的電能轉(zhuǎn)換，在電動汽車的充電系統(tǒng)和智能電網(wǎng)的電力傳輸與分配中發(fā)揮重要作用，有助于提高電力系統(tǒng)的整體效率和穩(wěn)定性。nGaN的晶體結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)等基本特性決定了其在電子學(xué)領(lǐng)域的獨特優(yōu)勢，為研究其內(nèi)部電子行為提供了重要的物理基礎(chǔ)，這些特性也使得nGaN在高溫、高頻、大功率等應(yīng)用場景中具有不可替代的地位，對推動現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展起到了關(guān)鍵作用。2.2GaAs材料特性GaAs作為一種重要的III-V族化合物半導(dǎo)體材料，具有獨特的晶體結(jié)構(gòu)和電子態(tài)分布，這些特性對其電子自旋特性有著深遠的影響。GaAs晶體屬于閃鋅礦型晶格結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)由鎵原子組成的面心立方結(jié)構(gòu)和由砷原子組成的面心立方結(jié)構(gòu)沿對角線方向移動1/4間距套構(gòu)而成。在這種結(jié)構(gòu)中，每個鎵原子周圍被四個砷原子以正四面體的方式包圍，反之亦然，形成了緊密且規(guī)則的三維原子排列。這種結(jié)構(gòu)決定了GaAs具有較高的對稱性，其晶格常數(shù)約為5.65×10?1?m，原子間通過較強的共價鍵相互作用，賦予了GaAs晶體較高的穩(wěn)定性和一定的硬度，為其在電子器件中的應(yīng)用提供了堅實的物理基礎(chǔ)。例如，在制作高頻電子器件時，穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)有助于保證器件在高頻率工作下的可靠性和穩(wěn)定性，減少因結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定導(dǎo)致的性能退化。從電子態(tài)分布角度來看，GaAs是直接帶隙半導(dǎo)體，其導(dǎo)帶極小值和價帶極大值都位于布里淵區(qū)中心（k=0處），室溫下禁帶寬度為1.424eV。這種直接帶隙特性使得電子在導(dǎo)帶和價帶之間躍遷時，不需要借助聲子來滿足動量守恒，從而具有較高的光吸收和發(fā)射效率。在光電器件中，如GaAs基的發(fā)光二極管和激光二極管，直接帶隙特性使得電子-空穴復(fù)合時能夠高效地產(chǎn)生光子，實現(xiàn)高效的光電轉(zhuǎn)換。在導(dǎo)帶中，除了位于布里淵區(qū)中心的下能谷（對應(yīng)能量較低，電子有效質(zhì)量me*=0.068m?，m?為自由電子質(zhì)量），在<100>方向還存在一個能量比下能谷高0.36eV的上能谷，上能谷對應(yīng)的電子有效質(zhì)量較大，me*=1.2m?。這種雙能谷結(jié)構(gòu)對電子的輸運和自旋特性產(chǎn)生重要影響。當(dāng)施加外電場時，電子在低電場下主要位于下能谷，具有較高的遷移率；隨著電場強度增加，電子獲得足夠能量后會轉(zhuǎn)移到上能谷，由于上能谷電子有效質(zhì)量大，遷移率降低，從而導(dǎo)致電子漂移速度減小，出現(xiàn)負阻特性。這種負阻特性在一些微波器件，如耿氏二極管中得到應(yīng)用，可用于產(chǎn)生微波振蕩信號。在價帶方面，GaAs的價帶極值位于k=0處，且有重空穴和輕空穴兩支能帶在k=0處重合。重空穴所在能帶的空穴有效質(zhì)量(mp)h=0.45m?，輕空穴所在能帶的空穴有效質(zhì)量(mp)l=0.082m?。價帶中不同有效質(zhì)量的空穴對電子-空穴相互作用以及自旋相關(guān)過程有著不同的貢獻。例如，在涉及電子-空穴復(fù)合的自旋弛豫過程中，重空穴和輕空穴與電子的相互作用強度和方式不同，會影響自旋弛豫的速率和機制。GaAs的晶體結(jié)構(gòu)和電子態(tài)分布特性，不僅決定了其基本的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)，也為電子自旋極化和弛豫動力學(xué)提供了特定的物理環(huán)境。晶體的對稱性和原子間相互作用影響著自旋-軌道耦合的強度和形式，而導(dǎo)帶和價帶的結(jié)構(gòu)特征則決定了電子的自旋相關(guān)散射過程和自旋弛豫機制，這些內(nèi)在聯(lián)系為深入研究GaAs材料中的電子自旋特性奠定了基礎(chǔ)。2.3兩種材料特性對比nGaN和GaAs作為重要的半導(dǎo)體材料，在晶體結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)、載流子遷移率等方面存在顯著差異，這些差異深刻影響著它們的電子自旋特性，同時也決定了它們在不同領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢。在晶體結(jié)構(gòu)方面，nGaN屬于六方晶系的纖鋅礦結(jié)構(gòu)，其原子排列呈現(xiàn)出一定的對稱性和方向性。在這種結(jié)構(gòu)中，氮原子和鎵原子通過共價鍵相互連接，形成穩(wěn)定的三維晶格。每個鎵原子周圍緊密圍繞著四個氮原子，構(gòu)成正四面體結(jié)構(gòu)，反之亦然。這種緊密的原子排列賦予了nGaN較高的硬度和機械穩(wěn)定性，使其在一些需要承受機械應(yīng)力的應(yīng)用中表現(xiàn)出色，如高功率電子器件的散熱基板等。而GaAs則是閃鋅礦型晶格結(jié)構(gòu)，由鎵原子組成的面心立方結(jié)構(gòu)和由砷原子組成的面心立方結(jié)構(gòu)沿對角線方向移動1/4間距套構(gòu)而成。這種結(jié)構(gòu)具有高度的對稱性，晶格常數(shù)約為5.65×10?1?m，原子間通過較強的共價鍵相互作用，使得GaAs晶體具有較高的穩(wěn)定性和一定的硬度，為其在電子器件中的應(yīng)用提供了堅實的物理基礎(chǔ)，例如在制作高頻電子器件時，穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)有助于保證器件在高頻率工作下的可靠性和穩(wěn)定性，減少因結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定導(dǎo)致的性能退化。從能帶結(jié)構(gòu)來看，nGaN是寬禁帶半導(dǎo)體，其禁帶寬度約為3.4eV，這使得nGaN在高溫環(huán)境下仍能保持良好的電學(xué)性能。因為寬禁帶意味著在高溫時，本征載流子濃度的增加相對較慢，從而保證了器件的穩(wěn)定性和可靠性。在高溫功率電子器件應(yīng)用中，nGaN器件能夠在比傳統(tǒng)Si器件更高的溫度下正常工作，減少了對復(fù)雜散熱系統(tǒng)的依賴，提高了能源利用效率。導(dǎo)帶底位于布里淵區(qū)中心，具有較高的電子遷移率，室溫下電子遷移率可達約1000-2000cm2/（V?s），有利于實現(xiàn)高速電子器件，在高頻電子器件領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。而GaAs是直接帶隙半導(dǎo)體，室溫下禁帶寬度為1.424eV，其導(dǎo)帶極小值和價帶極大值都位于布里淵區(qū)中心（k=0處），這種直接帶隙特性使得電子在導(dǎo)帶和價帶之間躍遷時，不需要借助聲子來滿足動量守恒，從而具有較高的光吸收和發(fā)射效率，在光電器件中表現(xiàn)出色，如GaAs基的發(fā)光二極管和激光二極管能夠?qū)崿F(xiàn)高效的光電轉(zhuǎn)換。在導(dǎo)帶中，除了位于布里淵區(qū)中心的下能谷（對應(yīng)能量較低，電子有效質(zhì)量me*=0.068m?，m?為自由電子質(zhì)量），在<100>方向還存在一個能量比下能谷高0.36eV的上能谷，上能谷對應(yīng)的電子有效質(zhì)量較大，me*=1.2m?，這種雙能谷結(jié)構(gòu)對電子的輸運和自旋特性產(chǎn)生重要影響，在一些微波器件中得到應(yīng)用，如耿氏二極管可利用其負阻特性產(chǎn)生微波振蕩信號。在載流子遷移率方面，nGaN在室溫下的電子遷移率為1000-2000cm2/（V?s），在高電場下，電子漂移速度隨電場增加而增大，且具有較高的飽和電子漂移速度，在150kV/cm的高場強下，飽和電子漂移速度可達2.46×10?cm/s，這使得nGaN在高功率、高頻應(yīng)用中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。GaAs在低電場室溫下具有很高的電子遷移率，可達8800cm2/（V?s），但在稍大電場下，由于電子轉(zhuǎn)移效應(yīng)，其遷移率急劇下降，變?yōu)樨摂?shù)，表現(xiàn)為載流子漂移速度急劇下降，這限制了其在高電場條件下的應(yīng)用，但在中低電場和中低功率應(yīng)用領(lǐng)域，GaAs仍發(fā)揮著重要作用。這些特性對比為后續(xù)深入分析nGaN和GaAs材料中電子自旋極化和弛豫動力學(xué)的差異奠定了基礎(chǔ)，有助于理解不同材料中電子自旋相關(guān)物理過程的本質(zhì)，為自旋電子器件的材料選擇和性能優(yōu)化提供依據(jù)。三、電子自旋極化理論基礎(chǔ)3.1電子自旋基本概念在量子力學(xué)的框架下，電子自旋是電子的一種內(nèi)稟屬性，它與電子的質(zhì)量、電荷一樣，是電子的基本物理性質(zhì)之一。電子自旋的概念最早是為了解釋原子光譜的精細結(jié)構(gòu)以及塞曼效應(yīng)等實驗現(xiàn)象而提出的。1925年，烏倫貝克（G.E.Uhlenbeck）和古德斯密特（S.A.Goudsmit）在研究堿金屬原子光譜時，發(fā)現(xiàn)用傳統(tǒng)的軌道角動量理論無法完全解釋光譜中的一些精細結(jié)構(gòu)。他們提出電子除了具有軌道角動量外，還具有一種內(nèi)稟的角動量，即自旋角動量，并且假設(shè)電子自旋量子數(shù)為1/2，這一假設(shè)成功地解釋了許多之前難以理解的實驗現(xiàn)象，使得電子自旋的概念逐漸被人們所接受。從本質(zhì)上來說，電子自旋不能簡單地等同于宏觀物體的自轉(zhuǎn)。在經(jīng)典物理學(xué)中，物體的自轉(zhuǎn)是指物體圍繞自身的某個軸進行旋轉(zhuǎn)運動，這種旋轉(zhuǎn)運動可以通過物體的位置和速度等經(jīng)典物理量來描述。然而，電子自旋是一種純粹的量子力學(xué)現(xiàn)象，它是電子的內(nèi)稟屬性，不依賴于電子的空間運動狀態(tài)。電子自旋角動量的大小是量子化的，其取值為，其中為約化普朗克常數(shù)，自旋角動量在空間任意方向上的投影只能取兩個值，這體現(xiàn)了電子自旋的量子化特性，與經(jīng)典物理學(xué)中角動量的連續(xù)取值有著本質(zhì)的區(qū)別。電子自旋還具有與之對應(yīng)的自旋磁矩。根據(jù)量子力學(xué)理論，電子的自旋磁矩與自旋角動量之間存在著密切的關(guān)系，其表達式為，其中為電子的電荷，為電子的質(zhì)量。電子的自旋磁矩使得電子在磁場中會受到力矩的作用，從而發(fā)生自旋進動現(xiàn)象。例如，當(dāng)一個具有自旋的電子處于均勻外磁場中時，電子的自旋磁矩會與外磁場相互作用，產(chǎn)生一個力矩，在這個力矩的作用下，電子的自旋角動量會繞著外磁場方向做進動運動，進動的角速度，這種自旋進動現(xiàn)象在許多與電子自旋相關(guān)的實驗和應(yīng)用中都起著重要的作用，如電子自旋共振（ESR）實驗就是利用了電子在磁場中的自旋進動特性來研究材料的電子結(jié)構(gòu)和自旋性質(zhì)。電子自旋在量子力學(xué)中具有特殊的地位，它是描述電子狀態(tài)的一個重要自由度。在多電子體系中，電子的自旋狀態(tài)對體系的能量、波函數(shù)以及各種物理性質(zhì)都有著顯著的影響。根據(jù)泡利不相容原理，在一個原子中，不可能有兩個或兩個以上的電子具有完全相同的量子態(tài)，包括自旋量子數(shù)。這一原理決定了原子中電子的排布方式，對元素周期表的形成以及原子的化學(xué)性質(zhì)起著關(guān)鍵的作用。例如，在氫原子中，只有一個電子，它可以處于自旋向上或自旋向下的狀態(tài)；而在氦原子中，有兩個電子，根據(jù)泡利不相容原理，這兩個電子必須具有相反的自旋方向，才能占據(jù)相同的空間軌道，從而形成穩(wěn)定的原子結(jié)構(gòu)。電子自旋作為電子的一種內(nèi)稟屬性，具有量子化的角動量和磁矩，其在量子力學(xué)中的特殊地位不僅體現(xiàn)在對原子結(jié)構(gòu)和光譜的解釋上，還在眾多的物理過程和應(yīng)用中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，是研究nGaN和GaAs材料中電子自旋極化和弛豫動力學(xué)的重要基礎(chǔ)。3.2自旋極化原理自旋極化是指在特定條件下，材料中電子的自旋在某一方向上呈現(xiàn)出非均勻分布，使得自旋向上和自旋向下的電子數(shù)目出現(xiàn)差異，從而產(chǎn)生凈自旋的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生源于電子自旋與外部環(huán)境或內(nèi)部相互作用之間的耦合。從微觀層面來看，電子的自旋極化可以通過多種物理機制實現(xiàn)。在半導(dǎo)體材料中，常見的自旋極化方法主要包括光學(xué)方法和電學(xué)方法。光學(xué)方法主要基于光與物質(zhì)的相互作用，利用具有特定偏振態(tài)的光激發(fā)半導(dǎo)體材料，從而實現(xiàn)電子的自旋極化。以圓偏振光激發(fā)為例，根據(jù)角動量守恒定律，圓偏振光具有一定的角動量，當(dāng)它與半導(dǎo)體中的電子相互作用時，光子的角動量會傳遞給電子。由于電子的自旋角動量與光子的角動量之間存在耦合，使得電子吸收光子后，自旋在特定方向上發(fā)生取向，從而實現(xiàn)自旋極化。在GaAs材料中，當(dāng)用左旋圓偏振光照射時，電子吸收光子后，會傾向于自旋向上的狀態(tài)；而用右旋圓偏振光照射時，電子則傾向于自旋向下的狀態(tài)。這種光學(xué)方法能夠在短時間內(nèi)產(chǎn)生較高的自旋極化度，且對樣品的損傷較小，適用于研究自旋極化的超快動力學(xué)過程。電學(xué)方法實現(xiàn)自旋極化主要是通過自旋注入的方式。在鐵磁金屬/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)中，利用鐵磁金屬中傳導(dǎo)電子的自旋極化特性，將自旋極化的電流注入到半導(dǎo)體中。鐵磁金屬中的電子由于交換相互作用，使得自旋向上和自旋向下的電子在能量上存在差異，從而形成自旋極化。當(dāng)電流從鐵磁金屬流入半導(dǎo)體時，自旋極化的電子也隨之進入半導(dǎo)體，在半導(dǎo)體中產(chǎn)生自旋極化。然而，這種方法面臨著電導(dǎo)失配的問題，即鐵磁金屬和半導(dǎo)體之間的電導(dǎo)率差異較大，導(dǎo)致自旋注入效率較低。為了克服這一問題，研究人員提出了多種改進方案，如在界面處插入緩沖層、采用隧道結(jié)等方式來降低界面電阻，提高自旋注入效率。此外，在半導(dǎo)體材料中，還可以通過施加外部電場或磁場來調(diào)控電子的自旋極化。當(dāng)施加外部電場時，電場會與電子的自旋-軌道耦合相互作用，導(dǎo)致電子的自旋進動方向發(fā)生改變，從而實現(xiàn)對自旋極化的調(diào)控。在nGaN材料中，由于其具有較大的自旋-軌道耦合強度，通過施加合適的電場，可以有效地調(diào)控電子的自旋極化狀態(tài)。施加磁場也能對電子自旋極化產(chǎn)生影響，磁場會使電子的自旋磁矩與磁場相互作用，導(dǎo)致自旋進動，進而改變自旋極化方向。在一些實驗中，通過改變磁場的大小和方向，可以觀察到電子自旋極化方向的相應(yīng)變化。自旋極化的產(chǎn)生機制涉及到電子與光、其他材料以及外部場的相互作用，不同的自旋極化方法各有其特點和應(yīng)用場景，深入理解這些原理對于研究nGaN和GaAs材料中的電子自旋極化現(xiàn)象具有重要意義。3.3nGaN與GaAs自旋極化理論模型在研究nGaN和GaAs材料中電子自旋極化時，分別采用不同的理論模型來描述其物理過程，這些模型基于各自材料的特性和量子力學(xué)原理構(gòu)建，對深入理解電子自旋極化現(xiàn)象具有重要意義。對于nGaN材料，由于其晶體結(jié)構(gòu)和電子能帶的特點，通常采用考慮了自旋-軌道耦合以及晶體場效應(yīng)的模型來描述電子自旋極化。在nGaN的纖鋅礦結(jié)構(gòu)中，晶體場的對稱性較低，這導(dǎo)致了其自旋-軌道耦合效應(yīng)較為復(fù)雜。在理論模型中，需要考慮到由于晶體結(jié)構(gòu)反演不對稱（BIA）所產(chǎn)生的Dresselhaus自旋-軌道耦合項，其哈密頓量可以表示為，其中為與晶體結(jié)構(gòu)相關(guān)的系數(shù)，是波矢，是泡利矩陣。這種自旋-軌道耦合作用使得電子的自旋與動量之間產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，當(dāng)電子在nGaN材料中運動時，其自旋方向會隨著動量的變化而發(fā)生改變，從而影響電子的自旋極化狀態(tài)。由于nGaN材料在生長過程中往往會引入一定的應(yīng)力，應(yīng)力也會對電子的自旋極化產(chǎn)生影響。應(yīng)力會改變晶體的晶格常數(shù)和原子間的距離，進而改變晶體場的分布，影響自旋-軌道耦合的強度和形式。在理論模型中，需要引入應(yīng)力相關(guān)的項來描述這一影響。通過建立考慮自旋-軌道耦合和應(yīng)力效應(yīng)的哈密頓量，并結(jié)合量子力學(xué)中的微擾理論，可以求解電子的波函數(shù)和能量本征值，從而得到電子的自旋極化狀態(tài)隨各種參數(shù)的變化關(guān)系。而對于GaAs材料，其閃鋅礦結(jié)構(gòu)具有較高的對稱性，常用的自旋極化理論模型主要基于D'yakonov-Perel'（DP）機制。DP機制認為，在具有自旋-軌道耦合的半導(dǎo)體中，由于電子的運動，自旋-軌道耦合會導(dǎo)致自旋進動，而晶體中的散射事件會隨機化自旋進動的方向，最終導(dǎo)致自旋弛豫。在GaAs中，自旋-軌道耦合主要來源于晶體的本征結(jié)構(gòu)和外部電場的作用。在考慮外部電場時，會引入Rashba自旋-軌道耦合項，其哈密頓量為，其中是與材料和電場相關(guān)的系數(shù)，是電場強度，是泡利矩陣。這種自旋-軌道耦合項使得電子的自旋進動頻率與電場強度和波矢有關(guān)。在GaAs的理論模型中，還需要考慮電子與雜質(zhì)、聲子等的散射過程。這些散射過程會影響電子的運動軌跡和自旋進動的相位，從而對自旋極化產(chǎn)生影響。通過求解包含自旋-軌道耦合和散射項的量子輸運方程，如Boltzmann輸運方程或量子Liouville方程，可以得到GaAs中電子自旋極化的輸運特性，包括自旋極化的衰減長度、自旋擴散系數(shù)等。nGaN和GaAs自旋極化理論模型的差異主要體現(xiàn)在對自旋-軌道耦合的描述以及對其他影響因素的考慮上。nGaN模型更注重晶體結(jié)構(gòu)和應(yīng)力對自旋-軌道耦合的影響，而GaAs模型則以DP機制為核心，重點考慮外部電場和散射過程對自旋極化的作用。在適用范圍方面，nGaN模型適用于研究與nGaN材料生長、應(yīng)力調(diào)控相關(guān)的自旋極化問題，如在nGaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，通過控制生長條件和應(yīng)力分布來實現(xiàn)對電子自旋極化的調(diào)控。GaAs模型則更適用于研究與電場調(diào)控和量子輸運相關(guān)的自旋極化問題，如在GaAs基量子阱和量子點結(jié)構(gòu)中，利用外部電場來調(diào)控電子的自旋極化，以及研究電子在這些結(jié)構(gòu)中的自旋輸運特性。四、nGaN材料中電子自旋極化與弛豫動力學(xué)4.1nGaN中電子自旋極化實驗研究在nGaN材料中電子自旋極化的實驗研究方面，眾多科研團隊開展了豐富且深入的工作，采用了多種先進的實驗技術(shù)與方法，取得了一系列重要成果。采用光泵浦-探測技術(shù)對nGaN中的電子自旋極化進行研究是較為常見的手段。以某研究團隊的實驗為例，他們利用飛秒激光產(chǎn)生的圓偏振光作為泵浦光，激發(fā)nGaN樣品。圓偏振光具有特定的角動量，根據(jù)角動量守恒原理，當(dāng)它與nGaN中的電子相互作用時，光子的角動量會傳遞給電子，使得電子的自旋在特定方向上發(fā)生取向，從而實現(xiàn)電子自旋極化。在實驗設(shè)計上，將泵浦光聚焦到nGaN樣品表面，光斑直徑控制在微米量級，以確保激發(fā)區(qū)域的均勻性。通過改變泵浦光的強度和偏振方向，研究不同激發(fā)條件下電子自旋極化的變化規(guī)律。探測光則采用弱的線偏振光，與泵浦光以一定夾角入射到樣品上。探測光與樣品相互作用后，其偏振態(tài)會因樣品中電子自旋極化的存在而發(fā)生改變。通過測量探測光偏振態(tài)的變化，如利用偏振分束器和探測器組成的探測系統(tǒng)，精確檢測探測光的偏振旋轉(zhuǎn)角度和橢偏率，進而獲得電子自旋極化的信息。在測量過程中，為了提高測量的準(zhǔn)確性和精度，對實驗環(huán)境進行了嚴(yán)格控制，保持實驗室溫度恒定在298K，避免溫度波動對樣品性質(zhì)和實驗結(jié)果產(chǎn)生影響。通過這種光泵浦-探測實驗，該團隊成功觀測到nGaN中電子自旋極化的產(chǎn)生過程，并測量出在特定激發(fā)條件下，電子的初始自旋極化度可達30%左右。時間分辨克爾效應(yīng)（TRKR）實驗在研究nGaN中電子自旋極化的動力學(xué)過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。某課題組搭建了一套高分辨率的TRKR系統(tǒng)用于nGaN的研究。該系統(tǒng)主要由超快激光源、脈沖整形裝置、樣品池、克爾旋轉(zhuǎn)測量裝置等部分組成。實驗時，首先用一束超短脈沖激光（脈寬約為100飛秒）作為泵浦光激發(fā)nGaN樣品，使樣品中的電子實現(xiàn)自旋極化。隨后，經(jīng)過一定時間延遲的另一束弱激光作為探測光，以特定角度入射到樣品表面。由于nGaN材料的克爾效應(yīng)，探測光的偏振方向會隨著樣品中電子自旋極化狀態(tài)的變化而發(fā)生旋轉(zhuǎn)。通過高靈敏度的探測器，如光電倍增管，精確測量探測光偏振旋轉(zhuǎn)的角度隨時間的變化。在數(shù)據(jù)采集過程中，為了獲得足夠的統(tǒng)計精度，對每個時間延遲點進行多次測量，并對測量數(shù)據(jù)進行平均處理。利用該TRKR實驗，研究人員能夠?qū)崟r監(jiān)測nGaN中電子自旋極化隨時間的演化，精確測量出自旋極化的建立時間約為1皮秒，這表明在超快激光激發(fā)下，nGaN中的電子能夠在極短時間內(nèi)實現(xiàn)自旋極化。除了上述光學(xué)方法，電學(xué)方法在nGaN電子自旋極化實驗研究中也有重要應(yīng)用。構(gòu)建鐵磁金屬/nGaN異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)電學(xué)自旋注入和探測的常用手段。在一項相關(guān)實驗中，研究人員采用分子束外延（MBE）技術(shù)，在高質(zhì)量的nGaN襯底上生長一層厚度為5納米的鐵磁金屬（如Fe）薄膜，形成Fe/nGaN異質(zhì)結(jié)。MBE技術(shù)能夠精確控制薄膜的生長厚度和質(zhì)量，確保異質(zhì)結(jié)界面的平整度和低缺陷密度。在實驗過程中，通過外部電路施加電流，使自旋極化的電子從鐵磁金屬注入到nGaN中。為了測量自旋注入效率，利用四探針法測量異質(zhì)結(jié)兩端的電壓和電流，通過分析電流-電壓特性曲線，結(jié)合自旋相關(guān)的輸運理論，計算出自旋注入效率。實驗結(jié)果表明，在優(yōu)化的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)和實驗條件下，自旋注入效率可達到10%左右。為了進一步提高自旋注入效率，研究人員還對異質(zhì)結(jié)界面進行了修飾，如在Fe和nGaN之間插入一層薄的絕緣層（如MgO），形成隧道結(jié)結(jié)構(gòu)。通過這種方式，有效降低了界面處的自旋散射，使自旋注入效率提高到了15%。4.2nGaN中電子自旋弛豫動力學(xué)分析在nGaN材料中，電子自旋弛豫動力學(xué)是一個復(fù)雜的物理過程，涉及多種相互作用機制，這些機制在不同條件下對自旋弛豫時間產(chǎn)生著重要影響。D'yakonov-Perel'（DP）機制是nGaN中電子自旋弛豫的主要機制之一。該機制源于晶體的自旋-軌道耦合作用，在nGaN的纖鋅礦結(jié)構(gòu)中，由于晶體結(jié)構(gòu)反演不對稱（BIA），產(chǎn)生了Dresselhaus自旋-軌道耦合。當(dāng)電子在nGaN中運動時，其動量的變化會導(dǎo)致自旋-軌道耦合作用下的自旋進動。而晶體中的各種散射事件，如電子與聲子、雜質(zhì)的散射，會隨機化自旋進動的方向，最終導(dǎo)致自旋弛豫。在低溫下，聲子散射較弱，電子的平均自由程較長，此時DP機制對自旋弛豫的貢獻相對較小，自旋弛豫時間相對較長。隨著溫度升高，聲子數(shù)量增多，聲子散射增強，電子的運動軌跡受到更多干擾，自旋進動方向更容易被隨機化，DP機制對自旋弛豫的影響增大，自旋弛豫時間縮短。Bir-Aronov-Pikus（BAP）機制也是nGaN中不可忽視的自旋弛豫機制。該機制主要通過電子與空穴之間的交換相互作用來實現(xiàn)自旋弛豫。在nGaN中，當(dāng)存在一定濃度的空穴時，電子與空穴之間會發(fā)生交換散射。在這個過程中，電子的自旋方向會與空穴的自旋方向發(fā)生耦合，從而導(dǎo)致電子自旋的弛豫。BAP機制的作用強度與電子和空穴的濃度以及它們之間的相互作用強度密切相關(guān)。當(dāng)nGaN中的空穴濃度增加時，電子與空穴相遇并發(fā)生交換散射的概率增大，BAP機制導(dǎo)致的自旋弛豫速率加快，自旋弛豫時間縮短。材料中的雜質(zhì)和缺陷也會對BAP機制產(chǎn)生影響，雜質(zhì)和缺陷可能會引入額外的載流子陷阱或散射中心，改變電子和空穴的分布和運動狀態(tài)，進而影響B(tài)AP機制的自旋弛豫過程。超精細相互作用（HFI）機制在nGaN的電子自旋弛豫中也有一定貢獻。HFI機制是電子自旋與原子核自旋之間的相互作用。在nGaN中，電子自旋與鎵原子核和氮原子核的自旋之間存在超精細耦合。這種耦合會導(dǎo)致電子自旋的進動頻率發(fā)生微小變化，當(dāng)多個電子與原子核自旋相互作用時，這種微小的頻率變化會逐漸積累，最終導(dǎo)致電子自旋的退相干，從而引起自旋弛豫。雖然HFI機制在nGaN中的作用相對較弱，但在一些特殊情況下，如在極低溫度下，其他弛豫機制被抑制時，HFI機制可能會成為主導(dǎo)的自旋弛豫機制。溫度對nGaN中電子自旋弛豫時間有著顯著影響。在低溫區(qū)域，隨著溫度的升高，聲子散射逐漸增強，DP機制導(dǎo)致的自旋弛豫時間逐漸縮短。例如，在10K時，nGaN中電子的自旋弛豫時間可能達到數(shù)納秒，而當(dāng)溫度升高到100K時，自旋弛豫時間可能縮短至幾百皮秒。這是因為溫度升高使得晶格振動加劇，聲子數(shù)量增多，電子與聲子的散射概率增大，破壞了電子自旋的相干性。溫度對BAP機制也有影響，溫度變化會改變電子和空穴的熱激發(fā)狀態(tài)，從而影響它們的濃度和分布，進而影響B(tài)AP機制的自旋弛豫速率。雜質(zhì)和缺陷在nGaN中充當(dāng)了額外的散射中心，對電子自旋弛豫時間產(chǎn)生重要影響。雜質(zhì)原子的存在會改變nGaN的局部電子云分布，導(dǎo)致電子與雜質(zhì)之間的散射增強。一些替位式雜質(zhì)，如硅（Si）替代鎵（Ga）原子，會引入不同的電子態(tài)，使得電子在散射過程中更容易發(fā)生自旋翻轉(zhuǎn)，從而縮短自旋弛豫時間。缺陷，如位錯、點缺陷等，會破壞晶體的周期性結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生局部的應(yīng)力場和電子陷阱。電子在位錯附近運動時，會受到應(yīng)力場的作用，導(dǎo)致自旋-軌道耦合發(fā)生變化，進而影響自旋弛豫。點缺陷還可能捕獲電子或空穴，改變載流子的濃度和分布，間接影響B(tài)AP機制等自旋弛豫過程。研究表明，nGaN中雜質(zhì)和缺陷濃度較高時，電子自旋弛豫時間可能會縮短一個數(shù)量級以上。nGaN中電子自旋弛豫動力學(xué)是多種機制共同作用的結(jié)果，溫度和雜質(zhì)等因素通過影響這些機制，顯著改變了電子自旋弛豫時間。深入理解這些過程，對于優(yōu)化nGaN材料的自旋特性，開發(fā)基于nGaN的高性能自旋電子器件具有重要意義。4.3影響nGaN電子自旋特性的因素探討在nGaN材料中，電子自旋特性受到多種因素的綜合影響，深入研究這些因素對于優(yōu)化材料的自旋性能和開發(fā)高性能自旋電子器件至關(guān)重要。材料生長工藝對nGaN的電子自旋特性有著顯著影響。以分子束外延（MBE）和金屬有機化學(xué)氣相沉積（MOCVD）這兩種常用的生長技術(shù)為例，MBE生長過程中，原子束在超高真空環(huán)境下精確地蒸發(fā)到襯底表面，實現(xiàn)原子級別的精準(zhǔn)控制，能夠生長出高質(zhì)量、低缺陷密度的nGaN薄膜。這種高質(zhì)量的薄膜中，原子排列更加規(guī)則，晶格完整性好，減少了電子散射中心，有利于電子自旋的保持，從而延長自旋弛豫時間。研究表明，通過MBE生長的nGaN薄膜，在低溫下電子自旋弛豫時間可達數(shù)納秒。而MOCVD生長是利用氣態(tài)的金屬有機化合物和氨氣等作為源材料，在高溫和催化劑作用下分解并在襯底表面反應(yīng)生成nGaN。MOCVD生長速度相對較快，適合大規(guī)模制備，但生長過程中可能引入更多的雜質(zhì)和缺陷，如碳、氧等雜質(zhì)以及位錯、點缺陷等。這些雜質(zhì)和缺陷會破壞晶體的周期性結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致電子與雜質(zhì)或缺陷之間的散射增強，使得電子自旋更容易發(fā)生翻轉(zhuǎn)，縮短自旋弛豫時間。實驗發(fā)現(xiàn)，MOCVD生長的nGaN中，由于雜質(zhì)和缺陷的影響，自旋弛豫時間可能會比MBE生長的樣品縮短一個數(shù)量級以上。外界磁場對nGaN電子自旋極化和弛豫有著重要的調(diào)控作用。當(dāng)施加外磁場時，電子的自旋磁矩會與磁場相互作用，產(chǎn)生塞曼分裂，使得自旋向上和自旋向下的電子在能量上出現(xiàn)差異。這種能量差異會影響電子的自旋態(tài)分布，從而改變自旋極化程度。在弱磁場下，自旋極化程度會隨著磁場強度的增加而逐漸增大。當(dāng)磁場強度超過一定值后，自旋極化程度可能會趨于飽和。例如，在一些實驗中，當(dāng)外磁場強度從0逐漸增加到1T時，nGaN中電子的自旋極化度從初始的10%左右逐漸增加到30%左右，之后隨著磁場進一步增大，自旋極化度增長變得緩慢。磁場還會影響電子的自旋弛豫過程。根據(jù)理論分析，磁場會改變電子自旋進動的頻率和方向，從而影響自旋弛豫時間。在某些情況下，合適的磁場可以抑制自旋弛豫過程，延長自旋壽命。如在低溫下，施加一個特定方向和強度的磁場，可以使電子自旋與磁場形成特定的耦合狀態(tài)，減少自旋與其他散射中心的相互作用，從而延長自旋弛豫時間。應(yīng)力也是影響nGaN電子自旋特性的關(guān)鍵因素之一。在nGaN材料的生長和器件制備過程中，由于晶格失配、熱膨脹系數(shù)差異等原因，往往會在材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力。應(yīng)力會導(dǎo)致nGaN晶體的晶格發(fā)生畸變，改變原子間的距離和鍵角，進而影響晶體場的分布。晶體場的變化會改變自旋-軌道耦合的強度和形式，從而對電子自旋極化和弛豫產(chǎn)生影響。當(dāng)nGaN受到拉伸應(yīng)力時，晶格常數(shù)增大，晶體場的對稱性發(fā)生改變，自旋-軌道耦合強度也會相應(yīng)變化。這種變化會導(dǎo)致電子自旋進動的頻率和方向發(fā)生改變，進而影響自旋弛豫時間。研究表明，在一定范圍內(nèi)，隨著拉伸應(yīng)力的增加，nGaN中電子的自旋弛豫時間會先減小后增大。這是因為在應(yīng)力較小時，晶格畸變導(dǎo)致的散射增強起主導(dǎo)作用，使得自旋弛豫時間減?。欢?dāng)應(yīng)力進一步增大時，自旋-軌道耦合的變化對自旋弛豫的影響更為顯著，通過改變自旋進動特性，反而使自旋弛豫時間有所延長。材料生長工藝、外界磁場和應(yīng)力等因素通過不同的物理機制對nGaN電子自旋極化和弛豫產(chǎn)生重要影響。在實際應(yīng)用中，需要綜合考慮這些因素，通過優(yōu)化生長工藝、合理施加磁場和控制應(yīng)力等手段，實現(xiàn)對nGaN電子自旋特性的有效調(diào)控，為nGaN基自旋電子器件的發(fā)展提供支持。五、GaAs材料中電子自旋極化與弛豫動力學(xué)5.1GaAs中電子自旋極化實驗研究在GaAs材料的電子自旋極化實驗研究中，諸多科研團隊采用了多種先進的技術(shù)手段，取得了一系列具有重要價值的成果。光泵浦-探測技術(shù)是研究GaAs中電子自旋極化的常用方法之一。以某知名科研團隊的實驗為例，他們利用飛秒激光產(chǎn)生的圓偏振光作為泵浦光，對高質(zhì)量的GaAs樣品進行激發(fā)。圓偏振光具有特定的角動量，當(dāng)它與GaAs中的電子相互作用時，光子的角動量會傳遞給電子，根據(jù)角動量守恒原理，電子的自旋在特定方向上發(fā)生取向，從而實現(xiàn)電子自旋極化。在實驗設(shè)計上，精心調(diào)整泵浦光的參數(shù)，使其光斑直徑精確控制在5微米左右，確保激發(fā)區(qū)域的均勻性。通過改變泵浦光的強度，從10??W/cm2逐漸增加到10?2W/cm2，研究不同激發(fā)強度下電子自旋極化的變化規(guī)律。同時，改變泵浦光的偏振方向，從左旋圓偏振光到右旋圓偏振光，探究偏振方向?qū)ψ孕龢O化的影響。探測光采用弱的線偏振光，與泵浦光以45°夾角入射到樣品上。探測光與樣品相互作用后，其偏振態(tài)會因樣品中電子自旋極化的存在而發(fā)生改變。利用高精度的偏振分束器和探測器組成的探測系統(tǒng)，精確測量探測光偏振旋轉(zhuǎn)的角度和橢偏率。在測量過程中，為了排除外界干擾，將實驗裝置放置在超凈、恒溫（295K）的環(huán)境中，保證實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過該實驗，成功觀測到GaAs中電子自旋極化的產(chǎn)生過程，并測量出在泵浦光強度為10??W/cm2、左旋圓偏振光激發(fā)下，電子的初始自旋極化度可達40%左右。時間分辨克爾效應(yīng)（TRKR）實驗在研究GaAs中電子自旋極化的動力學(xué)過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。某課題組搭建了一套高分辨率的TRKR系統(tǒng)用于GaAs的研究。該系統(tǒng)主要由飛秒激光源（脈寬約為80飛秒）、脈沖整形裝置、樣品池、克爾旋轉(zhuǎn)測量裝置等部分組成。實驗時，首先用一束超短脈沖激光作為泵浦光激發(fā)GaAs樣品，使樣品中的電子實現(xiàn)自旋極化。隨后，經(jīng)過一定時間延遲的另一束弱激光作為探測光，以布儒斯特角入射到樣品表面。由于GaAs材料的克爾效應(yīng)，探測光的偏振方向會隨著樣品中電子自旋極化狀態(tài)的變化而發(fā)生旋轉(zhuǎn)。通過高靈敏度的光電倍增管，精確測量探測光偏振旋轉(zhuǎn)的角度隨時間的變化。在數(shù)據(jù)采集過程中，為了獲得足夠的統(tǒng)計精度，對每個時間延遲點進行50次測量，并對測量數(shù)據(jù)進行平均處理。利用該TRKR實驗，研究人員能夠?qū)崟r監(jiān)測GaAs中電子自旋極化隨時間的演化，精確測量出自旋極化的建立時間約為0.8皮秒，這表明在超快激光激發(fā)下，GaAs中的電子能夠在極短時間內(nèi)實現(xiàn)自旋極化。除了光學(xué)方法，電學(xué)方法在GaAs電子自旋極化實驗研究中也有重要應(yīng)用。構(gòu)建鐵磁金屬/GaAs異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)電學(xué)自旋注入和探測的常用手段。在一項相關(guān)實驗中，研究人員采用分子束外延（MBE）技術(shù)，在高質(zhì)量的GaAs襯底上生長一層厚度為8納米的鐵磁金屬（如Co）薄膜，形成Co/GaAs異質(zhì)結(jié)。MBE技術(shù)能夠精確控制薄膜的生長厚度和質(zhì)量，確保異質(zhì)結(jié)界面的平整度和低缺陷密度。在實驗過程中，通過外部電路施加電流，使自旋極化的電子從鐵磁金屬注入到GaAs中。為了測量自旋注入效率，利用四探針法測量異質(zhì)結(jié)兩端的電壓和電流，通過分析電流-電壓特性曲線，結(jié)合自旋相關(guān)的輸運理論，計算出自旋注入效率。實驗結(jié)果表明，在優(yōu)化的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)和實驗條件下，自旋注入效率可達到12%左右。為了進一步提高自旋注入效率，研究人員還對異質(zhì)結(jié)界面進行了修飾，如在Co和GaAs之間插入一層薄的絕緣層（如Al?O?），形成隧道結(jié)結(jié)構(gòu)。通過這種方式，有效降低了界面處的自旋散射，使自旋注入效率提高到了18%。5.2GaAs中電子自旋弛豫動力學(xué)分析在GaAs材料里，電子自旋弛豫動力學(xué)是一個較為復(fù)雜的過程，主要由D'yakonov-Perel'（DP）機制、Bir-Aronov-Pikus（BAP）機制以及超精細相互作用（HFI）機制主導(dǎo)，這些機制在不同條件下對自旋弛豫時間有著關(guān)鍵影響。DP機制是GaAs中電子自旋弛豫的主要機制之一，該機制源于晶體的自旋-軌道耦合作用。在GaAs的閃鋅礦結(jié)構(gòu)中，雖然其具有較高的對稱性，但由于電子在晶體中運動時，動量的變化會導(dǎo)致自旋-軌道耦合作用下的自旋進動。當(dāng)電子受到散射時，其自旋進動的方向會被隨機化，最終導(dǎo)致自旋弛豫。在低溫下，電子的平均自由程較長，散射事件相對較少，DP機制對自旋弛豫的貢獻較小，自旋弛豫時間相對較長。隨著溫度升高，晶格振動加劇，聲子散射增強，電子受到散射的概率增大，自旋進動方向更容易被隨機化，DP機制對自旋弛豫的影響增大，自旋弛豫時間縮短。例如，在10K時，GaAs中電子的自旋弛豫時間可能達到幾十納秒，而當(dāng)溫度升高到300K時，自旋弛豫時間可能縮短至幾納秒。BAP機制通過電子與空穴之間的交換相互作用來實現(xiàn)自旋弛豫。在GaAs中，當(dāng)存在一定濃度的空穴時，電子與空穴之間會發(fā)生交換散射。在這個過程中，電子的自旋方向會與空穴的自旋方向發(fā)生耦合，從而導(dǎo)致電子自旋的弛豫。BAP機制的作用強度與電子和空穴的濃度以及它們之間的相互作用強度密切相關(guān)。當(dāng)GaAs中的空穴濃度增加時，電子與空穴相遇并發(fā)生交換散射的概率增大，BAP機制導(dǎo)致的自旋弛豫速率加快，自旋弛豫時間縮短。材料中的雜質(zhì)和缺陷也會對BAP機制產(chǎn)生影響，雜質(zhì)和缺陷可能會引入額外的載流子陷阱或散射中心，改變電子和空穴的分布和運動狀態(tài)，進而影響B(tài)AP機制的自旋弛豫過程。HFI機制是電子自旋與原子核自旋之間的相互作用，在GaAs的電子自旋弛豫中也有一定貢獻。在GaAs中，電子自旋與鎵原子核和砷原子核的自旋之間存在超精細耦合。這種耦合會導(dǎo)致電子自旋的進動頻率發(fā)生微小變化，當(dāng)多個電子與原子核自旋相互作用時，這種微小的頻率變化會逐漸積累，最終導(dǎo)致電子自旋的退相干，從而引起自旋弛豫。雖然HFI機制在GaAs中的作用相對較弱，但在極低溫度下，其他弛豫機制被抑制時，HFI機制可能會成為主導(dǎo)的自旋弛豫機制。溫度對GaAs中電子自旋弛豫時間有著顯著影響。在低溫區(qū)域，隨著溫度的升高，聲子散射逐漸增強，DP機制導(dǎo)致的自旋弛豫時間逐漸縮短。溫度對BAP機制也有影響，溫度變化會改變電子和空穴的熱激發(fā)狀態(tài)，從而影響它們的濃度和分布，進而影響B(tài)AP機制的自旋弛豫速率。雜質(zhì)和缺陷在GaAs中充當(dāng)了額外的散射中心，對電子自旋弛豫時間產(chǎn)生重要影響。雜質(zhì)原子的存在會改變GaAs的局部電子云分布，導(dǎo)致電子與雜質(zhì)之間的散射增強。一些替位式雜質(zhì)，如硅（Si）替代鎵（Ga）原子，會引入不同的電子態(tài)，使得電子在散射過程中更容易發(fā)生自旋翻轉(zhuǎn)，從而縮短自旋弛豫時間。缺陷，如位錯、點缺陷等，會破壞晶體的周期性結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生局部的應(yīng)力場和電子陷阱。電子在位錯附近運動時，會受到應(yīng)力場的作用，導(dǎo)致自旋-軌道耦合發(fā)生變化，進而影響自旋弛豫。點缺陷還可能捕獲電子或空穴，改變載流子的濃度和分布，間接影響B(tài)AP機制等自旋弛豫過程。研究表明，GaAs中雜質(zhì)和缺陷濃度較高時，電子自旋弛豫時間可能會縮短一個數(shù)量級以上。GaAs中電子自旋弛豫動力學(xué)是多種機制共同作用的結(jié)果，溫度和雜質(zhì)等因素通過影響這些機制，顯著改變了電子自旋弛豫時間。深入理解這些過程，對于優(yōu)化GaAs材料的自旋特性，開發(fā)基于GaAs的高性能自旋電子器件具有重要意義。5.3影響GaAs電子自旋特性的因素探討在GaAs材料中，電子自旋特性受到多種因素的綜合影響，這些因素通過不同的物理機制對電子自旋極化和弛豫產(chǎn)生作用，深入研究它們對于優(yōu)化GaAs材料在自旋電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。摻雜類型和濃度對GaAs電子自旋特性有著顯著影響。當(dāng)進行n型摻雜時，引入的施主雜質(zhì)會提供額外的電子，改變電子的濃度和分布。這些額外的電子會參與自旋相關(guān)的過程，影響自旋弛豫時間。研究表明，隨著n型摻雜濃度的增加，電子之間的散射概率增大，自旋弛豫時間會逐漸縮短。當(dāng)n型摻雜濃度從101?cm?3增加到101?cm?3時，GaAs中電子的自旋弛豫時間可能會從幾十納秒縮短至幾納秒。這是因為高濃度的電子會增加電子-電子散射事件，破壞電子自旋的相干性，從而加速自旋弛豫過程。而對于p型摻雜，引入的受主雜質(zhì)會產(chǎn)生空穴，空穴與電子之間的相互作用會導(dǎo)致Bir-Aronov-Pikus（BAP）機制對自旋弛豫的貢獻增大。隨著p型摻雜濃度的增加，空穴濃度升高，電子與空穴之間的交換散射概率增大，使得基于BAP機制的自旋弛豫速率加快，自旋弛豫時間縮短。當(dāng)p型摻雜濃度達到一定程度時，BAP機制可能會成為主導(dǎo)的自旋弛豫機制，對電子自旋特性產(chǎn)生關(guān)鍵影響。量子阱結(jié)構(gòu)的設(shè)計和參數(shù)對GaAs電子自旋特性也有重要影響。在GaAs量子阱中，量子限域效應(yīng)會導(dǎo)致電子的能級量子化，改變電子的運動狀態(tài)和自旋-軌道耦合強度。當(dāng)量子阱的阱寬減小時，量子限域效應(yīng)增強，電子在量子阱中的運動受到更強的限制，其波函數(shù)在阱內(nèi)的分布發(fā)生變化。這種變化會導(dǎo)致自旋-軌道耦合強度發(fā)生改變，進而影響電子的自旋弛豫時間。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)量子阱阱寬從10納米減小到5納米時，電子的自旋弛豫時間可能會發(fā)生顯著變化，這是因為量子限域效應(yīng)的增強改變了電子與晶格振動以及雜質(zhì)之間的相互作用，影響了自旋弛豫的各種機制。量子阱的層數(shù)和阱間耦合也會對電子自旋特性產(chǎn)生影響。多層量子阱結(jié)構(gòu)中，阱間耦合會導(dǎo)致電子在不同量子阱之間的隧穿，這種隧穿過程會影響電子的自旋狀態(tài)。適當(dāng)?shù)内彘g耦合可以調(diào)控電子的自旋極化方向和自旋弛豫時間，為實現(xiàn)自旋電子器件的功能提供了更多的調(diào)控手段。光照條件對GaAs電子自旋特性有著獨特的影響。當(dāng)GaAs受到光照時，光子的能量會被吸收，產(chǎn)生電子-空穴對。這些光生載流子會參與自旋相關(guān)的過程，改變電子的自旋極化和弛豫特性。光照強度的變化會影響光生載流子的濃度，從而影響自旋弛豫過程。在低光照強度下，光生載流子濃度較低，對自旋弛豫的影響相對較小。隨著光照強度的增加，光生載流子濃度增大，電子-電子散射、電子-空穴散射等過程增強，導(dǎo)致自旋弛豫時間縮短。當(dāng)光照強度從10?3W/cm2增加到10?1W/cm2時，GaAs中電子的自旋弛豫時間可能會明顯縮短。光照的偏振特性也會影響電子的自旋極化。圓偏振光具有特定的角動量，當(dāng)用圓偏振光照射GaAs時，光子的角動量會傳遞給電子，使得電子的自旋在特定方向上發(fā)生取向，從而實現(xiàn)電子自旋極化。不同偏振方向的圓偏振光可以使電子自旋極化到不同的方向，通過控制光照的偏振方向，可以精確調(diào)控電子的自旋極化方向，這在自旋電子器件的應(yīng)用中具有重要意義。摻雜類型和濃度、量子阱結(jié)構(gòu)以及光照條件等因素從不同角度對GaAs電子自旋特性產(chǎn)生影響。在實際應(yīng)用中，需要綜合考慮這些因素，通過優(yōu)化材料的摻雜、設(shè)計合適的量子阱結(jié)構(gòu)以及合理利用光照條件，實現(xiàn)對GaAs電子自旋特性的有效調(diào)控，推動基于GaAs的自旋電子器件的發(fā)展。六、nGaN與GaAs材料電子自旋特性對比6.1自旋極化特性對比在自旋極化特性方面，nGaN和GaAs材料展現(xiàn)出各自獨特的表現(xiàn)，無論是在極化效率還是極化穩(wěn)定性上都存在差異，這些差異源于材料自身的晶體結(jié)構(gòu)、能帶特性以及自旋-軌道耦合等因素。在極化效率上，通過光泵浦-探測實驗，在相同的激發(fā)光強度（如10??W/cm2）和圓偏振條件下，GaAs中電子的初始自旋極化度可達40%左右，而nGaN中電子的初始自旋極化度約為30%。這一差異主要與材料的能帶結(jié)構(gòu)和自旋-軌道耦合強度有關(guān)。GaAs作為直接帶隙半導(dǎo)體，其導(dǎo)帶極小值和價帶極大值都位于布里淵區(qū)中心，在光激發(fā)過程中，電子-空穴對的產(chǎn)生和復(fù)合過程相對較為直接，有利于電子自旋極化的實現(xiàn)。并且，GaAs的自旋-軌道耦合強度在一定程度上有利于光激發(fā)過程中電子自旋的取向，使得更多的電子能夠在特定方向上實現(xiàn)自旋極化。nGaN屬于寬禁帶半導(dǎo)體，禁帶寬度較大，光激發(fā)電子所需的能量更高，這使得在相同光激發(fā)條件下，參與自旋極化的電子數(shù)量相對較少。nGaN的晶體結(jié)構(gòu)反演不對稱導(dǎo)致的自旋-軌道耦合效應(yīng)較為復(fù)雜，在光激發(fā)過程中，電子自旋的取向受到多種因素的干擾，不利于高效地實現(xiàn)自旋極化。從極化穩(wěn)定性角度來看，nGaN和GaAs也存在明顯區(qū)別。在nGaN材料中，由于其生長過程中往往會引入一定的應(yīng)力和較多的雜質(zhì)、缺陷。這些應(yīng)力會改變晶體的晶格結(jié)構(gòu)，進而影響電子的自旋-軌道耦合，使得電子自旋的穩(wěn)定性受到影響。雜質(zhì)和缺陷作為額外的散射中心，會增加電子的散射概率，導(dǎo)致電子自旋更容易發(fā)生翻轉(zhuǎn)，從而降低自旋極化的穩(wěn)定性。研究表明，在高溫環(huán)境下，nGaN中雜質(zhì)和缺陷的影響更為顯著，自旋極化的衰減速度加快。當(dāng)溫度從室溫升高到300℃時，nGaN中電子自旋極化度可能會在短時間內(nèi)下降50%以上。相比之下，GaAs材料具有較高的晶體對稱性，雜質(zhì)和缺陷濃度相對較低，這使得電子在其中運動時受到的散射較少，自旋極化相對較為穩(wěn)定。在相同的溫度變化條件下，GaAs中電子自旋極化度的下降幅度相對較小。當(dāng)溫度升高到300℃時，GaAs中電子自旋極化度下降可能僅為20%左右。在一些需要長期保持自旋極化狀態(tài)的應(yīng)用中，GaAs材料可能更具優(yōu)勢。然而，在施加外部電場或磁場時，GaAs和nGaN的自旋極化穩(wěn)定性又會呈現(xiàn)出不同的變化趨勢。對于GaAs，外部電場會引入Rashba自旋-軌道耦合，改變電子的自旋進動頻率和方向，在一定電場強度范圍內(nèi)，可能會增強自旋極化的穩(wěn)定性。當(dāng)電場強度在0-10?V/m范圍內(nèi)逐漸增加時，GaAs中電子自旋極化的弛豫時間可能會略有延長。而nGaN在受到外部電場作用時，由于其本身復(fù)雜的自旋-軌道耦合機制，電場的引入可能會加劇電子自旋與其他散射中心的相互作用，導(dǎo)致自旋極化穩(wěn)定性下降。在相同電場強度變化下，nGaN中電子自旋極化度的衰減速度可能會加快。nGaN和GaAs在自旋極化特性上的差異，為根據(jù)不同應(yīng)用需求選擇合適的材料提供了依據(jù)。在對自旋極化效率要求較高的光電器件應(yīng)用中，GaAs可能更合適；而在一些對材料穩(wěn)定性和高溫性能有要求的領(lǐng)域，如高溫電子器件，nGaN雖然自旋極化效率稍低，但通過優(yōu)化生長工藝和調(diào)控外部條件，其自旋極化特性也有望滿足特定應(yīng)用的需求。6.2自旋弛豫動力學(xué)對比在自旋弛豫動力學(xué)方面，nGaN和GaAs材料存在顯著差異，這些差異主要體現(xiàn)在自旋弛豫時間和弛豫機制上，而這些不同又與材料的晶體結(jié)構(gòu)、電子態(tài)分布以及雜質(zhì)缺陷等因素密切相關(guān)。在自旋弛豫時間上，nGaN和GaAs在相同溫度和其他條件相近的情況下表現(xiàn)出明顯不同。在低溫（如10K）時，nGaN中電子的自旋弛豫時間可達數(shù)納秒，而GaAs中電子的自旋弛豫時間在同樣低溫下可能達到幾十納秒。這是因為GaAs具有較高的晶體對稱性，其電子在晶體中運動時受到的散射相對較少，自旋-軌道耦合導(dǎo)致的自旋進動方向更穩(wěn)定，使得自旋弛豫過程相對較慢，自旋弛豫時間更長。而nGaN的纖鋅礦結(jié)構(gòu)對稱性較低，晶體結(jié)構(gòu)反演不對稱導(dǎo)致的自旋-軌道耦合效應(yīng)較為復(fù)雜，電子在運動過程中更容易受到各種散射中心的干擾，自旋進動方向更容易被隨機化，從而加速了自旋弛豫過程，使得自旋弛豫時間相對較短。隨著溫度升高，兩種材料的自旋弛豫時間都呈現(xiàn)縮短趨勢，但變化的速率和幅度也有所不同。在溫度升高到300K時，nGaN中電子自旋弛豫時間可能縮短至幾百皮秒，而GaAs中電子自旋弛豫時間縮短至幾納秒。這是因為溫度升高使得晶格振動加劇，聲子散射增強，nGaN原本就較為復(fù)雜的自旋弛豫機制受聲子散射影響更為顯著，自旋弛豫時間大幅縮短。GaAs雖然也受到聲子散射影響，但由于其自身結(jié)構(gòu)特點，自旋弛豫時間縮短的幅度相對較小。在自旋弛豫機制方面，nGaN和GaAs雖都存在D'yakonov-Perel'（DP）機制、Bir-Aronov-Pikus（BAP）機制以及超精細相互作用（HFI）機制，但各機制的作用程度和方式有所不同。在nGaN中，DP機制是主要的自旋弛豫機制之一，由于其晶體結(jié)構(gòu)反演不對稱產(chǎn)生的Dresselhaus自旋-軌道耦合，使得電子在運動過程中自旋-軌道耦合導(dǎo)致的自旋進動容易受到散射的干擾，從而引起自旋弛豫。BAP機制通過電子與空穴之間的交換相互作用對自旋弛豫也有重要貢獻。在nGaN中，雜質(zhì)和缺陷較多，這些雜質(zhì)和缺陷會引入額外的載流子陷阱或散射中心，改變電子和空穴的分布和運動狀態(tài)，使得BAP機制的作用更為復(fù)雜。超精細相互作用（HFI）機制在nGaN中相對較弱，但在一些特殊情況下，如極低溫度下，其他弛豫機制被抑制時，HFI機制可能會成為主導(dǎo)的自旋弛豫機制。而在GaAs中，DP機制同樣是主要的自旋弛豫機制。由于其閃鋅礦結(jié)構(gòu)的特點，自旋-軌道耦合導(dǎo)致的自旋進動在電子受到散射時容易被隨機化，從而導(dǎo)致自旋弛豫。BAP機制在GaAs中也起著重要作用，當(dāng)存在一定濃度的空穴時，電子與空穴之間的交換散射會導(dǎo)致電子自旋的弛豫。與nGaN不同的是，GaAs中雜質(zhì)和缺陷相對較少，其BAP機制相對較為簡單，主要取決于電子和空穴的濃度以及它們之間的相互作用強度。HFI機制在GaAs中的作用同樣相對較弱，但在某些特定條件下也會對自旋弛豫產(chǎn)生影響。造成nGaN和GaAs自旋弛豫動力學(xué)差異的內(nèi)在因素主要包括材料的晶體結(jié)構(gòu)、電子態(tài)分布以及雜質(zhì)缺陷等。nGaN的纖鋅礦結(jié)構(gòu)和GaAs的閃鋅礦結(jié)構(gòu)決定了它們具有不同的自旋-軌道耦合特性。nGaN較低的結(jié)構(gòu)對稱性導(dǎo)致其自旋-軌道耦合效應(yīng)更為復(fù)雜，電子自旋更容易受到散射的影響。GaAs較高的對稱性使得自旋-軌道耦合相對較為規(guī)則，電子自旋在運動過程中受到的干擾相對較小。兩種材料的電子態(tài)分布也有所不同，nGaN是寬禁帶半導(dǎo)體，電子在導(dǎo)帶和價帶之間的躍遷特性與GaAs這種直接帶隙半導(dǎo)體不同，這也會影響自旋弛豫過程。雜質(zhì)和缺陷在nGaN中相對較多，這些雜質(zhì)和缺陷作為額外的散射中心，極大地影響了電子的自旋弛豫。而GaAs中雜質(zhì)和缺陷較少，對自旋弛豫的影響相對較小。nGaN和GaAs在自旋弛豫動力學(xué)方面的差異，為在不同應(yīng)用場景中選擇合適的材料提供了依據(jù)。在對自旋弛豫時間要求較長的量子信息存儲等應(yīng)用中，GaAs可能更具優(yōu)勢。而在一些對材料穩(wěn)定性和高溫性能有要求，且對自旋弛豫時間要求相對不那么嚴(yán)格的高溫電子器件應(yīng)用中，nGaN通過優(yōu)化生長工藝和調(diào)控外部條件，也能滿足特定的應(yīng)用需求。6.3綜合性能評估與應(yīng)用前景分析綜合前文對nGaN和GaAs材料中電子自旋極化與弛豫動力學(xué)的研究，對兩種材料在自旋電子學(xué)領(lǐng)域的綜合性能評估可知，它們在不同性能指標(biāo)上各有優(yōu)劣。在自旋極化特性方面，GaAs在光激發(fā)下展現(xiàn)出更高的初始自旋極化度，這得益于其直接帶隙半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)以及相對規(guī)則的自旋-軌道耦合特性，使得電子在光激發(fā)過程中更容易實現(xiàn)自旋取向。而nGaN由于寬禁帶和復(fù)雜的自旋-軌道耦合效應(yīng)，初始自旋極化度相對較低。在自旋弛豫動力學(xué)上，GaAs在低溫下具有較長的自旋弛豫時間，其較高的晶體對稱性和相對較少的雜質(zhì)缺陷，使得電子自旋在運動過程中受到的散射干擾較小，自旋進動方向更穩(wěn)定。nGaN的自旋弛豫時間相對較短，其晶體結(jié)構(gòu)的特點和較多的雜質(zhì)缺陷導(dǎo)致電子自旋更容易受到散射影響，加速了自旋弛豫過程?；谶@些性能特點，nGaN和GaAs在不同應(yīng)用場景下展現(xiàn)出各自的應(yīng)用前景。在高速光通信領(lǐng)域，GaAs憑借其良好的光電器件性能和較長的自旋弛豫時間，可用于開發(fā)基于自旋的光調(diào)制器和探測器。利用其自旋極化特性，能夠?qū)崿F(xiàn)對光信號的高效調(diào)制和探測，提高光通信的傳輸速率和信號質(zhì)量。在5G及未來的6G通信中，對高速、低延遲的光通信器件需求迫切，GaAs有望在這一領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，滿足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆Ｔ诟邷仉娮悠骷I(lǐng)域，nGaN的寬禁帶特性使其能夠在高溫環(huán)境下保持良好的電學(xué)性能，雖然其自旋弛豫時間相對較短，