Relajación de espín en semiconductores dopados y nanoestructuras semiconductoras

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Actualmente, los dispositivos basados en materiales semiconductores están presentes en varias aplicaciones de comunicación y procesamiento de información. En estos dispositivos, las distintas operaciones involucradas implican el desplazamiento controlado de cargas. Para el almacenamiento de informac...

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Detalles Bibliográficos
Autor principal:	Intronati, Guido A.
Formato:	Tesis Doctoral
Lenguaje:	Inglés
Publicado:	2013
Materias:	INTERACCION ESPIN-ORBITA RELAJACION DE ESPIN SEMICONDUCTORES DOPADOS NANOESTRUCTURAS PUNTOS CUANTICOS FONONES SPIN-ORBIT SPIN-RELAXATION DOPED SEMICONDUCTORS NANOSTRUCTURES QUANTUM DOTS PHONONS
Acceso en línea:	https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n5341_Intronati
Aporte de:	Biblioteca Digital - Facultad de Ciencias Exactas y Naturales (UBA) de Universidad de Buenos Aires

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description	Actualmente, los dispositivos basados en materiales semiconductores están presentes en varias aplicaciones de comunicación y procesamiento de información. En estos dispositivos, las distintas operaciones involucradas implican el desplazamiento controlado de cargas. Para el almacenamiento de información, arreglos de múltiples capas formadas por metales magnéticos, así como materiales aislantes, son ampliamente utilizados. En este último caso, la información es registrada y recuperada al reorientar dominios magnéticos. La posibilidad de construir dispositivos que uliticen otra propiedad de las partículas, el llamado espín, da lugar al campo de la Espintrónica, a diferencia de la electrónica tradicional basada en la carga eléctrica de las partículas. Más aún, la Espintrónica con materiales semiconductores busca el desarrollo de dispositivos híbridos en los cuales las tres operaciones básicas (lógica, comunicación y almacenamiento) puedan estar integradas en un mismo material. A pesar de los grandes progresos y avances en esta dirección, son varias las preguntas y dificultades técnicas que quedan por resolver. El desafío, entre otros, es entonces entender cómo el espín se comporta e interacciona en un material sólido. El espín, al ser una propiedad cuántica de cualquier partícula elemental, está representada por un estado, susceptible de ser afectado por alguna dada interacción. El espín de un electrón, por ejemplo, puede no sólo interaccionar con un campo magnético externo, sino también acoplarse a otro grado de libertad del electrón. La interacción de espín-órbita, precisamente, se refiere al acoplamiento entre el espín y el estado orbital del mismo electrón. En la primera parte de esta tesis consideramos este último efecto, y en particular, nos ocupamos de un semiconductor bulk de GaAs dopado, y estudiamos la relajación de espín debido a la interacción de espín-órbita. Las densidades de dopantes de nuestro interés están en un rango cercano a la densidad crítica correspondiente a la transición metal-aislante. Por debajo de esta densidad, la propiedades electrónicas del sistema son las de un material aislante, mientras que para densidades mayores, aparece un comportamiento de tipo metálico y en consecuencia, la conductividad a temperatura nula adquiere un valor finito. En esta tesis estudiamos la relajación de espín del lado metálico de la transición debido a dos clases diferentes de interacción espín-órbita. La primera de ellas está asociada a la presencia de impurezas, mientras que la otra aparece como consecuencia de la asimetría de inversión causada por la presencia de dos tipos diferentes de átomos en una celda unidad. Es decir, esta última es una propiedad inherente de la estructura cristalina del material y es también conocida como la interacción de Dresselhaus o BIA, por sus siglas en inglés (bulk inversion asymmetry). Para atacar el problema de la dinámica de espín, desarrollamos una formulación analítica basada en la difusión de espín de un electrón en el régimen metálico de conducción en la banda de impurezas. A través de esta derivación logramos una expresión para el tiempo de relajación de espín, dependiente de la densidad de dopantes y de la intensidad de la interacción de espín-órbita. Notablemente, dicha expresión está exenta de parámetros ajustables. Complementamos este esquema y respaldamos los resultados obtenidos analíticamente con el cálculo numérico del tiempo de vida del espín. Para ello, llevamos a cabo la evolución temporal de un estado inicial con un espín definido. De esta manera, el valor medio del operador de espín evoluciona bajo la influencia del Hamiltoniano completo, que comprende la interacción de espín-órbita y el Hamiltoniano del modelo de Matsubara- Toyozawa. Este último describe la banda de impurezas pero no toma en cuenta el espín. El estado inicialmente polarizado, al no ser un autoestado del operador Hamiltoniano completo, experimenta un decaimiento temporal siguiendo un dado comportamiento, del cual extraemos el tiempo de relajación de espín. En la segunda parte de esta tesis consideramos un sistema cuántico de dimensión cero (punto cuántico o quantum dot) y estudiamos el efecto de la interacción de espín- órbita sobre los autoestados. El quantum dot está alojado entre dos heteroestructuras implantadas en un nanohilo de material InAs. Este material presenta la particularidad que, al ser crecido de manera unidimensional, adquiere una estructura de tipo wurtzita, a diferencia de la estructura zinc blenda que tiene en su fase bulk. Aquí desarrollamos una solución analítica para el quantum dot, considerando la interacción de espín-órbita propia de este tipo de estructuras. Más precisamente, tomamos la interacción de Dresselhaus de la banda de conducción de un material wurtzita que, además de un término cúbico en k -aunque de diferente forma que el de zinc blenda- presenta uno lineal, propio de la wurtzita. El efecto de un campo magnético débil es introducido a través del acoplamiento de tipo Zeeman. Entre los resultados se incluyen además la estructura de espín en el quantum-dot y el cálculo del factor g efectivo en función de las dimensiones del dot. Por último, estudiamos y calculamos la relajación de espín debido a fonones acústicos, teniendo en cuenta para ello los potenciales de fonón correspondientes a la estructura wurtzita.
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La posibilidad de construir dispositivos que uliticen otra propiedad de las partículas, el llamado espín, da lugar al campo de la Espintrónica, a diferencia de la electrónica tradicional basada en la carga eléctrica de las partículas. Más aún, la Espintrónica con materiales semiconductores busca el desarrollo de dispositivos híbridos en los cuales las tres operaciones básicas (lógica, comunicación y almacenamiento) puedan estar integradas en un mismo material. A pesar de los grandes progresos y avances en esta dirección, son varias las preguntas y dificultades técnicas que quedan por resolver. El desafío, entre otros, es entonces entender cómo el espín se comporta e interacciona en un material sólido. El espín, al ser una propiedad cuántica de cualquier partícula elemental, está representada por un estado, susceptible de ser afectado por alguna dada interacción. El espín de un electrón, por ejemplo, puede no sólo interaccionar con un campo magnético externo, sino también acoplarse a otro grado de libertad del electrón. La interacción de espín-órbita, precisamente, se refiere al acoplamiento entre el espín y el estado orbital del mismo electrón. En la primera parte de esta tesis consideramos este último efecto, y en particular, nos ocupamos de un semiconductor bulk de GaAs dopado, y estudiamos la relajación de espín debido a la interacción de espín-órbita. Las densidades de dopantes de nuestro interés están en un rango cercano a la densidad crítica correspondiente a la transición metal-aislante. Por debajo de esta densidad, la propiedades electrónicas del sistema son las de un material aislante, mientras que para densidades mayores, aparece un comportamiento de tipo metálico y en consecuencia, la conductividad a temperatura nula adquiere un valor finito. En esta tesis estudiamos la relajación de espín del lado metálico de la transición debido a dos clases diferentes de interacción espín-órbita. La primera de ellas está asociada a la presencia de impurezas, mientras que la otra aparece como consecuencia de la asimetría de inversión causada por la presencia de dos tipos diferentes de átomos en una celda unidad. Es decir, esta última es una propiedad inherente de la estructura cristalina del material y es también conocida como la interacción de Dresselhaus o BIA, por sus siglas en inglés (bulk inversion asymmetry). Para atacar el problema de la dinámica de espín, desarrollamos una formulación analítica basada en la difusión de espín de un electrón en el régimen metálico de conducción en la banda de impurezas. A través de esta derivación logramos una expresión para el tiempo de relajación de espín, dependiente de la densidad de dopantes y de la intensidad de la interacción de espín-órbita. Notablemente, dicha expresión está exenta de parámetros ajustables. Complementamos este esquema y respaldamos los resultados obtenidos analíticamente con el cálculo numérico del tiempo de vida del espín. Para ello, llevamos a cabo la evolución temporal de un estado inicial con un espín definido. De esta manera, el valor medio del operador de espín evoluciona bajo la influencia del Hamiltoniano completo, que comprende la interacción de espín-órbita y el Hamiltoniano del modelo de Matsubara- Toyozawa. Este último describe la banda de impurezas pero no toma en cuenta el espín. El estado inicialmente polarizado, al no ser un autoestado del operador Hamiltoniano completo, experimenta un decaimiento temporal siguiendo un dado comportamiento, del cual extraemos el tiempo de relajación de espín. En la segunda parte de esta tesis consideramos un sistema cuántico de dimensión cero (punto cuántico o quantum dot) y estudiamos el efecto de la interacción de espín- órbita sobre los autoestados. El quantum dot está alojado entre dos heteroestructuras implantadas en un nanohilo de material InAs. Este material presenta la particularidad que, al ser crecido de manera unidimensional, adquiere una estructura de tipo wurtzita, a diferencia de la estructura zinc blenda que tiene en su fase bulk. Aquí desarrollamos una solución analítica para el quantum dot, considerando la interacción de espín-órbita propia de este tipo de estructuras. Más precisamente, tomamos la interacción de Dresselhaus de la banda de conducción de un material wurtzita que, además de un término cúbico en k -aunque de diferente forma que el de zinc blenda- presenta uno lineal, propio de la wurtzita. El efecto de un campo magnético débil es introducido a través del acoplamiento de tipo Zeeman. Entre los resultados se incluyen además la estructura de espín en el quantum-dot y el cálculo del factor g efectivo en función de las dimensiones del dot. Por último, estudiamos y calculamos la relajación de espín debido a fonones acústicos, teniendo en cuenta para ello los potenciales de fonón correspondientes a la estructura wurtzita. At present, information-processing and communications are mainly based on semiconductor devices, within which all the operations imply the controlled motion of small pools of charge. For information-storage, multilayers of magnetic metals and insulators are predominantly used. In this last case, the information is stored and retrieved by reorienting magnetic domains. The possibility of building devices that use another property of particles, the spin, gives rise the so-called Spintronics, in contrast to the current charge-based technology. Moreover, semiconductor spintronics pursues the development of hybrid devices where the three basic operations -logic, communications and storagewithin the same materials technology would be possible. In spite of the strong progress and numerous advances in the field, many fundamental questions and technical hurdles remain unsolved. A lot of effort is therefore devoted to understand how the spin behaves and interacts with its solid-state environment. The spin, being a quantum property of any elementary particle, is represented by a state that may change due to some given interaction. The spin of an electron, for example, can not only interact with an external magnetic field, but also with another degree of freedom of the electron. In this sense, the so-called spin-orbit interaction precisely refers to the coupling between the spin and the orbital state of the same electron. In the first part of this thesis we regard this latter effect, and in particular, we adress the problem of the spin-relaxation in a bulk doped GaAs semiconductor resulting from the spin-orbit interaction. Our interest is focused on donor density values close to a critical value, where a metal-insulator transition occurs. Below this density, the electronic properties of the system correspond to that of the insulating regime, while for larger densities, a metallic behaviour appears and accordingly, a non-zero conductivity is measured at T = 0. It is on this metallic side of the transition where we study the spin relaxation due to two different types of spin-orbit coupling. The first of them is associated to the presence of extrinsic impurities, while the other one appears as a consequence of the bulk inversion asymmetry (BIA) brought about by the the presence of two different atoms (Ga and As) in a unit cell. This latter SOC is also known as the Dresselhaus coupling. To tackle the spin dynamics problem, we develop an analytical formulation based on the spin diffusion of an electron in the metallic regime of conduction of the impurity band. The full derivation provides us with an expression for the spin-relaxation time, which depends on the doping density and the spin-orbit coupling strength, and remarkably, is free of adjustable parameters. We complement this approach and back our analytical results with the numerical calculation of the spin lifetime. For this, we perform and track the exact time evolution of an initial state with a defined spin state. We look at the spin operator evolving under the influence of the full Hamiltonian, containing both the spin-orbit interactions and the spin-free Hamiltonian (based on the Matsuba-Toyozawa model) describing the impurity band. The initial polarized state, being no longer an eigenstate, decays following a certain damped time evolution, from which we extract the spin-relaxation time. In the second part of the thesis we consider a zero-dimensional system and study the effect of spin-orbit coupling on the eigenstates. The quantum dot is hosted between two heterojunctions placed in an InAs nanowire. This semiconductor, when grown unidimensionally, presents a wurtzite-type crystal structure, unlike its zincblende phase in bulk. We develop here an exact analytical solution for the quantum dot, taking into account the proper effective spin-orbit coupling for this type of material. We focus on the BIA coupling, which presents a cubic-in-k SOC, yet with a different expression from that of zincblende, and add also the linear-in-k SOC, characteristic of WZ materials. A Zeeman interaction from an external magnetic field is included as well. We calculate the energy spectra for different values of the spin-orbit coupling strength. We also display the spin texture across the dot, compute the effective g-factor as a function of the dot size, and calculate the spin-relaxation due to acoustic phonons, taking into account the phonon potentials corresponding to the wurtzite structure. Fil: Intronati, Guido A.. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina. 2013 Tesis Doctoral PDF Inglés info:eu-repo/semantics/openAccess https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.5/ar https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n5341_Intronati

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