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- URN zum Zitieren dieses Dokuments:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-377442
- DOI zum Zitieren dieses Dokuments:
- 10.5283/epub.37744
| Dokumentenart: | Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation) |
|---|---|
| Open Access Art: | Primärpublikation |
| Datum: | 27 September 2018 |
| Begutachter (Erstgutachter): | Prof. Dr. John Schliemann |
| Tag der Prüfung: | 18 September 2018 |
| Institutionen: | Physik > Institut für Theoretische Physik > Lehrstuhl Professor Grifoni > Arbeitsgruppe John Schliemann |
| Stichwörter / Keywords: | Spin relaxation, spin-orbit coupling, weak antilocalization, quantum wells, nanowires |
| Dewey-Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik |
| Status: | Veröffentlicht |
| Begutachtet: | Ja, diese Version wurde begutachtet |
| An der Universität Regensburg entstanden: | Ja |
| Dokumenten-ID: | 37744 |
Zusammenfassung (Englisch)
A central theme in semiconductor spintronics is the control of spin-polarized charge carriers. In order to utilize the spin for information processing, a long spin lifetime is essential. In this thesis, we address this issue for important types of semiconductor systems: disordered quantum wells and nanowires. Typically, the most prominent process that limits the spin lifetime in ...
Zusammenfassung (Englisch)
A central theme in semiconductor spintronics is the control of spin-polarized charge carriers. In order to utilize the spin for information processing, a long spin lifetime is essential. In this thesis, we address this issue for important types of semiconductor systems: disordered quantum wells and nanowires. Typically, the most prominent process that limits the spin lifetime in inversion-asymmetric systems is the D'yakonov-Perel' mechanism. It results from the random spin precessions due to the combined effect of impurity scattering and spin-orbit coupling. One very convenient experimental tool to gather information about the spin-relaxation properties, as well as transport parameters, are magnetoconductance measurements of the weak (anti)localization. In particular, the latter is mainly determined by the spin lifetime of the long-lived spin states.
After giving a comprehensive introduction of the underlying theoretical fundamentals, we identify spin-preserving symmetries in quantum wells of zinc-blende structure. First, we focus on electron systems and prove that persistent spin states can be found due to the interplay of Rashba and Dresselhaus spin-orbit coupling if at least two growth-direction Miller indices agree in modulus. Additionally, a general closed-form expression for the weak (anti)localization is provided to enable an experimental verification. Secondly, we show that also in [001]-oriented hole systems such symmetries can be realized if in addition uniaxial shear strain is present.
Semiconductor nanowires can have very distinct mesoscopic characteristics. We concentrate on three important kinds of nanowires with diffusive transport channels: (i) tubular zinc-blende nanowires as well as cylindrical (ii) zinc-blende and (iii) wurtzite nanowires. In each of these cases, the impact of a gate-induced Rashba effect is taken into account which allows an external manipulation of the spin relaxation. Employing a Cooperon-based approach, we theoretically analyze the spin-relaxation features, identify the long-lived spin states, and compute the weak (anti)localization correction. The obtained expressions for both types of zinc-blende nanowires are fitted to the experimental data of magnetoconductance measurements of InAs nanowires. We find good agreement between theory and experiment and extract reasonable transport parameters. Regarding the spin relaxation, in contrast to the cylindrical counterpart, the tubular zinc-blende nanowires exhibit a growth-direction dependence. In the cylindrical channels, the spin relaxation is sensitive to the wire diameter and suppressed in narrow wires due to boundary-induced motional narrowing. The suppression is particularly pronounced in wurtzite nanowires as the relaxation due to the intrinsic linear-in-momentum spin-orbit terms becomes ineffective. Yet, the corresponding long-lived spin states possess a complex helical spin texture which is difficult to realize. This can yield very dissimilar values for the spin lifetimes when extracted from distinct experiments. We explicitly demonstrate the arising discrepancies for optical and magnetotransport measurements.
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Ein zentrales Thema der Halbleiter-Spintronik ist die Kontrolle von spinpolarisierten Ladungsträgern. Um den Spin für die Informationsverarbeitung zu nutzen, ist eine lange Spin-Lebensdauer essentiell. In dieser Arbeit behandeln wir dieses Problem für wichtige Arten von Halbleitersystemen: ungeordnete Quantentröge und Nanodrähte. Der bekannteste Prozess, der die Spinlebensdauer in Systemen mit ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Ein zentrales Thema der Halbleiter-Spintronik ist die Kontrolle von spinpolarisierten Ladungsträgern. Um den Spin für die Informationsverarbeitung zu nutzen, ist eine lange Spin-Lebensdauer essentiell. In dieser Arbeit behandeln wir dieses Problem für wichtige Arten von Halbleitersystemen: ungeordnete Quantentröge und Nanodrähte. Der bekannteste Prozess, der die Spinlebensdauer in Systemen mit Inversionsasymmetrie begrenzt, ist der D'yakonov-Perel' Mechanismus. Dieser resultiert aus den zufälligen Spinpräzessionen aufgrund des kombinierten Effekts der Verunreinigungsstreuung und der Spin-Bahn-Kopplung. Ein sehr geeignetes experimentelles Werkzeug, um Informationen über die Spin-Relaxations-Eigenschaften sowie Transportparameter zu sammeln, sind Magneto-Leitfähigkeitsmessungen der schwachen (Anti-)Lokalisierung. Letzteres wird insbesondere hauptsächlich durch die Spinlebensdauer der langlebigen Spinzustände bestimmt.
Nach einer umfassenden Einführung in die zugrundeliegenden theoretischen Grundlagen identifizieren wir spinerhaltende Symmetrien in Quantentrögen der Zinkblende-Struktur. Zunächst konzentrieren wir uns auf Elektronensysteme und beweisen, dass persistente Spinzustände aufgrund des Zusammenspiels der Spin-Bahn-Kopplung zwischen Rashba und Dresselhaus gefunden werden können, wenn mindestens zwei Miller-Indizes im Betrag übereinstimmen. Zusätzlich wird ein allgemeiner geschlossener Ausdruck für die schwache (Anti-)Lokalisierung bereitgestellt, um eine experimentelle Verifikation zu ermöglichen. Zweitens zeigen wir, dass auch in [001] -orientierten Lochsystemen solche Symmetrien realisiert werden können, wenn zusätzlich eine einachsige Scherverspannung vorliegt.
Halbleiter-Nanodrähte können sehr unterschiedliche mesoskopische Eigenschaften aufweisen. Wir konzentrieren uns auf drei wichtige Arten von Nanodrähten mit diffusiven Transportkanälen: (i) röhrenförmige Zinkblende-Nanodrähte sowie zylindrische (ii) Zinkblende- und (iii) Wurtzit-Nanodrähte. In jedem dieser Fälle wird der Einfluss eines Gate-induzierten Rashba-Effekts berücksichtigt, der eine externe Manipulation der Spinrelaxation ermöglicht. Mithilfe eines Cooperon-basierten Ansatzes analysieren wir theoretisch die Spin-Relaxationseigenschaften, identifizieren die langlebigen Spinzustände und berechnen die schwache (Anti-)Lokalisierungskorrektur. Die erhaltenen Ausdrücke für beide Arten von Zinkblende-Nanodrähten werden an die experimentellen Daten von Magneto-Leitfähigkeitsmessungen von InAs-Nanodrähten angepasst. Wir finden eine gute Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment und extrahieren vernünftige Transportparameter. Bezüglich der Spinrelaxation zeigen die röhrenförmigen Zinkblende-Nanodrähte im Gegensatz zum zylindrischen Gegenstück eine Wachstumsrichtungsabhängigkeit. In den zylindrischen Kanälen ist die Spinrelaxation empfindlich gegenüber dem Drahtdurchmesser und wird in engen Drähten aufgrund der durch die geometrische Einschränkung induzierten Bewegungsverengung unterdrückt. Die Unterdrückung ist besonders ausgeprägt in Wurtzit-Nanodrähten, da die Relaxation aufgrund der intrinsischen Spin-Bahn-Terme, die linear vom Impuls abhängen, unwirksam wird. Die entsprechenden langlebigen Spinzustände besitzen jedoch eine komplexe helikale Spinstruktur, die schwer zu realisieren ist. Dies kann sehr unterschiedliche Werte für die Spin-Lebensdauern ergeben, wenn sie aus bestimmten Experimenten extrahiert werden. Wir demonstrieren explizit die auftretenden Diskrepanzen für optische und magneto-optische Messungen.
Metadaten zuletzt geändert: 25 Nov 2020 19:12
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