本發(fā)明涉及一種純電子的多體效應(yīng)的光學(xué)測(cè)試方法。其特點(diǎn)是利用聲光光彈調(diào)制器(pem)動(dòng)態(tài)調(diào)制泵浦光的偏振態(tài)，產(chǎn)生圓偏振態(tài)與線偏振態(tài)周期變化的泵浦光，激發(fā)半導(dǎo)體薄膜樣品，產(chǎn)生電子自旋極化與非極化態(tài)周期變化。利用線偏振探針光直接測(cè)試電子自旋極化與非極化態(tài)感應(yīng)的探針光瞬態(tài)透射差，進(jìn)而推算電子的多體效應(yīng)。此發(fā)明在半導(dǎo)體中電子多體效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。

背景技術(shù)：

半導(dǎo)體基礎(chǔ)科學(xué)研究中已經(jīng)知道，當(dāng)光激發(fā)半導(dǎo)體，在導(dǎo)帶和價(jià)帶中分別產(chǎn)生大量的電子和空穴時(shí)，由于庫(kù)侖作用，會(huì)改變晶格勢(shì)場(chǎng)，進(jìn)而導(dǎo)致半導(dǎo)體帶隙收縮，即所謂的多體效應(yīng)。理論上已經(jīng)知道，當(dāng)激發(fā)的電子與空穴濃度均為n時(shí)，多體效應(yīng)引起的帶隙收縮量δeg為，

式中e，ε0和εs分別為電子電荷，真空介電常數(shù)和相對(duì)介電常數(shù)。

然而，近年來(lái)，隨著自旋電子學(xué)的發(fā)展，電子自旋極化出現(xiàn)在導(dǎo)帶中，導(dǎo)致在滿足光學(xué)躍遷選擇定則的某一對(duì)自旋導(dǎo)帶-價(jià)帶中電子和空穴的濃度不相等。這時(shí)候就需要分別考慮電子多體效應(yīng)和空穴多體效應(yīng)分別對(duì)帶隙收縮的貢獻(xiàn)。當(dāng)電子濃度n和空穴濃度p不相等時(shí)，描述帶隙收縮的方程(1)修改為，

關(guān)鍵問(wèn)題是系數(shù)k目前不知道是多少。有理論文獻(xiàn)預(yù)測(cè)k＝0.57，但至今沒(méi)有獲得實(shí)驗(yàn)測(cè)量的檢驗(yàn)，因?yàn)闆](méi)有發(fā)現(xiàn)有效的實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法。本發(fā)明正是要報(bào)道一種新的實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法，可用于實(shí)驗(yàn)測(cè)試電子多體效應(yīng)在電子-空穴多體效應(yīng)中的占比系數(shù)k。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

光激發(fā)電子-空穴對(duì)會(huì)同時(shí)導(dǎo)致電子與空穴的多體效應(yīng)和電子-空穴的帶填充效應(yīng)。要測(cè)量電子的多體效應(yīng)，就必須設(shè)法消除空穴的多體效應(yīng)和電子-空穴的帶填充效應(yīng)，因?yàn)殡娮?空穴的帶填充效應(yīng)很強(qiáng)，淹沒(méi)了多體效應(yīng)。本發(fā)明發(fā)展了一種簡(jiǎn)單的電子多體效應(yīng)光學(xué)測(cè)試方法。它組合一個(gè)聲光光彈調(diào)制器(pem，商業(yè)化產(chǎn)品)與傳統(tǒng)的泵浦-探針實(shí)驗(yàn)裝置。換句話講，只需要在傳統(tǒng)的泵浦-探針實(shí)驗(yàn)裝置中增加一個(gè)pem，即可能實(shí)現(xiàn)電子多體效應(yīng)的測(cè)量。實(shí)驗(yàn)裝置原理如圖1所示。圖中4即為pem。顯然，此裝置極為簡(jiǎn)單，只有線偏振泵浦光2和探針光3各一束。

本發(fā)明的測(cè)試原理如圖1所示。其關(guān)鍵特征在于引入pem器件4，并設(shè)置pem工作在1/4波長(zhǎng)模式，而探針光3為線偏振態(tài)。同時(shí)，用pem的調(diào)制頻率的2倍頻信號(hào)同步鎖相放大器10，測(cè)量光電探測(cè)器9輸出信號(hào)的微弱變化。

圖1所示，傳統(tǒng)的時(shí)間分辨泵浦-探針裝置1輸出線偏振泵浦光脈沖序列2和探針光脈沖序列3。泵浦脈沖序列2的強(qiáng)度恒定，如圖2中水平線1所示。它通過(guò)pem(4)后，其偏振態(tài)被調(diào)制為左右旋圓偏振態(tài)周期變化的，如圖2中虛線曲線2所示。這種圓偏振態(tài)周期變化的泵浦光脈沖序列2通過(guò)透鏡6后，被聚焦在樣品7上。由于半導(dǎo)體光激發(fā)躍遷的選擇定擇，圓偏振態(tài)會(huì)在半導(dǎo)體導(dǎo)帶中激發(fā)起自旋極化(不平衡)電子布居，而線偏振態(tài)則激發(fā)自旋平衡電子布居。因而，圓偏振周期變化的泵浦光2會(huì)在樣品7中激發(fā)起電子自旋極化和非極化周期變化態(tài)。線偏振探針3通過(guò)樣品7上泵浦激發(fā)點(diǎn)后，其透射光強(qiáng)就會(huì)受到周期調(diào)制，如圖2中曲線3所示。波峰點(diǎn)對(duì)應(yīng)于電子自旋極化最大態(tài)(對(duì)應(yīng)于左右旋圓偏振態(tài)激發(fā))，波谷點(diǎn)對(duì)應(yīng)于電子自旋平衡態(tài)(對(duì)應(yīng)于線偏振態(tài)激發(fā)，曲線2中過(guò)零點(diǎn))。顯然，探針脈沖序列3的透射強(qiáng)度的調(diào)制頻率是泵浦光3的左右旋圓偏振調(diào)制頻率的2倍，如圖2中曲線2和3所示。這是因?yàn)楸闷止獾淖笥倚龍A偏振態(tài)激發(fā)相同的電子自旋極化度，并且左旋→右旋→左旋一個(gè)周期變化中兩次過(guò)線偏振態(tài)，結(jié)果導(dǎo)致探針光束2的透射變化調(diào)制頻率加倍。為了檢測(cè)探針光束2的透射變化調(diào)制幅度，需要使用pem控制器5上的2f口輸出信號(hào)作為鎖相放大器10的參考信號(hào)。

上述方法測(cè)試到的探針光束2的透射變化正是反映了泵浦光激發(fā)電子的多體效應(yīng)的貢獻(xiàn)，因?yàn)榫€偏振態(tài)和圓偏振態(tài)泵浦光的光強(qiáng)度是一樣的，因而激發(fā)的總電子濃度是一樣的，所以兩者激發(fā)的帶填充效應(yīng)是一致的，對(duì)探針光2的透射強(qiáng)度調(diào)制幾乎一致，即對(duì)探測(cè)信號(hào)沒(méi)有貢獻(xiàn)，因而，電子-空穴的帶填充效應(yīng)被抑制。另一方面，空穴的自旋弛豫非?？欤ǔＴ趲灼っ霑r(shí)間尺度以內(nèi)，所以，幾皮秒泵浦-探針延遲時(shí)間后的動(dòng)力學(xué)信號(hào)，可以認(rèn)為圓偏振泵浦光激發(fā)的空穴自旋極化已完全退極化，與線偏振態(tài)泵浦光激發(fā)的空穴自旋平衡一樣。換句話講，圓偏振態(tài)與線偏振態(tài)泵浦光激發(fā)的空穴多體效應(yīng)在幾個(gè)皮秒延遲時(shí)間后是一樣的，所以，泵浦光激發(fā)空穴的多體效應(yīng)對(duì)探針光束2的透射強(qiáng)度調(diào)制幅度貢獻(xiàn)可忽略。剩下的唯一效應(yīng)就是圓偏振態(tài)與線偏振態(tài)泵浦光分別激發(fā)的自旋極化電子與自旋平衡電子的多體效應(yīng)不同，導(dǎo)致它們對(duì)探針光束2的透射變化的調(diào)制差別，即圖2中曲線3所示的強(qiáng)度振蕩。這種振蕩直到電子自旋弛豫結(jié)束才會(huì)消失。

附圖說(shuō)明

圖1基于電子自旋弛豫的電子多體效應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試原理圖

圖2泵浦光圓偏振態(tài)聲光調(diào)制和探針光透射強(qiáng)度調(diào)制原理圖

圖3gaas半導(dǎo)體中電子多體效應(yīng)的弛豫動(dòng)力學(xué)

圖1中，1為傳統(tǒng)的時(shí)間分辨泵浦-探針裝置，包括飛秒脈沖激光器，非共線雙臂干涉儀和光學(xué)延遲線；2和3分別為來(lái)自1中雙臂干涉儀兩個(gè)臂的光束，2強(qiáng)于3，故作為泵浦光，而3較弱，作為探測(cè)光，兩者均為線偏振態(tài)；4為聲光光彈調(diào)制器pem，5為pem的驅(qū)動(dòng)電源和控制器，它們實(shí)現(xiàn)對(duì)3的偏振態(tài)調(diào)制。6為聚焦透鏡，將2和3聚焦到7上同一點(diǎn)；7為待測(cè)樣品；8為光強(qiáng)衰減片，9為光電探測(cè)器；通過(guò)8控制入射進(jìn)9的光強(qiáng)，使9不要飽和；光電探測(cè)器9測(cè)量探針光3透過(guò)樣品7后的透射光強(qiáng)調(diào)制變化幅度；10為鎖相放大器，其參考信號(hào)來(lái)自pem控制器5的2f口輸出信號(hào)，測(cè)量光電探測(cè)器9輸出信號(hào)的調(diào)制幅度。

圖2中，1為水平直線，表示泵浦光強(qiáng)隨時(shí)間不變化；2為正弦波形，表示泵浦光通過(guò)pem后變?yōu)樽笥倚龍A偏振光，圓偏振度在1和-1之間周期變化；3為探針光透過(guò)樣品后的強(qiáng)度隨時(shí)間調(diào)制變化或光電探測(cè)器輸出波形，它的變化頻率是泵浦光圓偏振度調(diào)制頻率的2倍。

圖3中，曲線1(空心圓)表示實(shí)驗(yàn)測(cè)量的gaas薄膜的電子多體效應(yīng)動(dòng)力學(xué)曲線；曲線2(實(shí)線)表示理論模型對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的最佳擬合。

具體實(shí)施方式

依據(jù)上述原理，本發(fā)明已具體實(shí)施了gaas半導(dǎo)體中電子多體效應(yīng)對(duì)電子-空穴多體效應(yīng)的貢獻(xiàn)占比系數(shù)測(cè)量。

gaas薄膜樣品0.5μm厚，吸附在寶石窗片上，放入圖1中樣品(7)位置處。飛秒激光中心波長(zhǎng)調(diào)諧到850nm。pem(4)設(shè)置在工作波長(zhǎng)850nm，調(diào)制模式1/4波長(zhǎng)。轉(zhuǎn)動(dòng)pem的方位角，使其快慢軸與泵浦光脈沖的線偏振方向成45度角，導(dǎo)致泵浦光透過(guò)pem后變?yōu)樽笥倚龍A偏振調(diào)制的光；用同軸電纜連接pem控制器5的2f輸出口與鎖相放大器10的參考信號(hào)口；調(diào)節(jié)衰減片8，使光電探測(cè)器9不飽和。掃描泵浦-探針延遲時(shí)間，并同步采樣鎖相放大器(10)的輸出信號(hào)與泵浦-探針延遲時(shí)間，獲得圖3中曲線1所示的動(dòng)力學(xué)曲線。

為了從測(cè)量的動(dòng)力學(xué)曲線1獲取gaas中電子多體效應(yīng)對(duì)電子-空穴多體效應(yīng)貢獻(xiàn)的占比系數(shù)k，需要發(fā)展描述電子多體效應(yīng)的理論模型。

依據(jù)iii-v半導(dǎo)體物理理論，實(shí)驗(yàn)探測(cè)到的電子多體效應(yīng)可以由如下理論模型描述，

式中α^σ表示圓偏振泵浦激發(fā)時(shí)的樣品吸收系數(shù)，α^-表示線偏振泵浦激發(fā)時(shí)的吸收系數(shù)表示圓偏振泵浦激發(fā)的電子-空穴多體效應(yīng)感應(yīng)的吸收系數(shù)變化，表示線偏振泵浦激發(fā)的電子-空穴多體效應(yīng)感應(yīng)的吸收系數(shù)變化；c為實(shí)驗(yàn)與理論之間的比例常數(shù)；e為探針光子能量；δ＝0.341ev，是自旋-軌道分裂能；其它符號(hào)的表達(dá)式如下：

式中n0為泵浦光脈沖激發(fā)的總電子-空穴對(duì)濃度；電子有效質(zhì)量me＝0.066，輕空穴有效質(zhì)量ml，h＝0.084；重空穴有效質(zhì)量mh，h＝0.45；為gaas的室溫帶隙；e是自由電子電荷；ε0是真空介電常數(shù)，εs＝13.1是gaas的室溫相對(duì)介電常數(shù)。

將方程(4)-(10)代入方程(3)，并用(3)最優(yōu)化擬合圖3中實(shí)驗(yàn)曲線1，獲得的最優(yōu)化擬合曲線如圖3中實(shí)線2所示。顯然擬合與實(shí)驗(yàn)非常相符。最優(yōu)化擬合給出參數(shù)τs＝572.5ps，τr＝675.6ps，k＝0.62。到此，我們第一次實(shí)驗(yàn)測(cè)試了電子多體效應(yīng)對(duì)電子-空穴多體效應(yīng)的貢獻(xiàn)占比系數(shù)k＝0.62，略大于理論預(yù)測(cè)的k＝0.57。

利用本發(fā)明測(cè)試方法能夠進(jìn)一步深入研究占比系數(shù)k是否隨激發(fā)濃度、探針光子能量、溫度、電場(chǎng)、磁場(chǎng)和應(yīng)力等參數(shù)的變化以及其它半導(dǎo)體中電子多體效應(yīng)占比系數(shù)。