本發(fā)明涉及一種純電子的多體效應(yīng)的光學(xué)測試方法。其特點是利用聲光光彈調(diào)制器(pem)動態(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)實驗研究領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。

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)帶和價帶中分別產(chǎn)生大量的電子和空穴時，由于庫侖作用，會改變晶格勢場，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，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)和相對介電常數(shù)。

然而，近年來，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自旋導(dǎo)帶-價帶中電子和空穴的濃度不相等。這時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，描述帶隙收縮的方程(1)修改為，

關(guān)鍵問題是系數(shù)k目前不知道是多少。有理論文獻(xiàn)預(yù)測k＝0.57，但至今沒有獲得實驗測量的檢驗，因為沒有發(fā)現(xiàn)有效的實驗測試方法。本發(fā)明正是要報道一種新的實驗測試方法，可用于實驗測試電子多體效應(yīng)在電子-空穴多體效應(yīng)中的占比系數(shù)k。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

光激發(fā)電子-空穴對會同時導(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)，因為電子-空穴的帶填充效應(yīng)很強(qiáng)，淹沒了多體效應(yīng)。本發(fā)明發(fā)展了一種簡單的電子多體效應(yīng)光學(xué)測試方法。它組合一個聲光光彈調(diào)制器(pem，商業(yè)化產(chǎn)品)與傳統(tǒng)的泵浦-探針實驗裝置。換句話講，只需要在傳統(tǒng)的泵浦-探針實驗裝置中增加一個pem，即可能實現(xiàn)電子多體效應(yīng)的測量。實驗裝置原理如圖1所示。圖中4即為pem。顯然，此裝置極為簡單，只有線偏振泵浦光2和探針光3各一束。

本發(fā)明的測試原理如圖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波長模式，而探針光3為線偏振態(tài)。同時，用pem的調(diào)制頻率的2倍頻信號同步鎖相放大器10，測量光電探測器9輸出信號的微弱變化。

圖1所示，傳統(tǒng)的時間分辨泵浦-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通過樣品7上泵浦激發(fā)點后，其透射光強(qiáng)就會受到周期調(diào)制，如圖2中曲線3所示。波峰點對應(yīng)于電子自旋極化最大態(tài)(對應(yīng)于左右旋圓偏振態(tài)激發(fā))，波谷點對應(yīng)于電子自旋平衡態(tài)(對應(yīng)于線偏振態(tài)激發(fā)，曲線2中過零點)。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。這是因為泵浦光的左右旋圓偏振態(tài)激發(fā)相同的電子自旋極化度，并且左旋→右旋→左旋一個周期變化中兩次過線偏振態(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口輸出信號作為鎖相放大器10的參考信號。

上述方法測試到的探針光束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)，因為線偏振態(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，對探針光2的透射強(qiáng)度調(diào)制幾乎一致，即對探測信號沒有貢獻(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?？?，通常在幾皮秒時間尺度以內(nèi)，所以，幾皮秒泵浦-探針延遲時間后的動力學(xué)信號，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)在幾個皮秒延遲時間后是一樣的，所以，泵浦光激發(fā)空穴的多體效應(yīng)對探針光束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)束才會消失。

附圖說明

圖1基于電子自旋弛豫的電子多體效應(yīng)實驗測試原理圖

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)的弛豫動力學(xué)

圖1中，1為傳統(tǒng)的時間分辨泵浦-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分別為來自1中雙臂干涉儀兩個臂的光束，2強(qiáng)于3，故作為泵浦光，而3較弱，作為探測光，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)動電源和控制器，它們實現(xiàn)對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；7為待測樣品；8為光強(qiáng)衰減片，9為光電探測器；通過8控制入射進(jìn)9的光強(qiáng)，使9不要飽和；光電探測器9測量探針光3透過樣品7后的透射光強(qiáng)調(diào)制變化幅度；10為鎖相放大器，其參考信號來自pem控制器5的2f口輸出信號，測量光電探測器9輸出信號的調(diào)制幅度。

圖2中，1為水平直線，表示泵浦光強(qiáng)隨時間不變化；2為正弦波形，表示泵浦光通過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為探針光透過樣品后的強(qiáng)度隨時間調(diào)制變化或光電探測器輸出波形，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)表示實驗測量的gaas薄膜的電子多體效應(yīng)動力學(xué)曲線；曲線2(實線)表示理論模型對實驗結(jié)果的最佳擬合。

具體實施方式

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

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。飛秒激光中心波長調(diào)諧到850nm。pem(4)設(shè)置在工作波長850nm，調(diào)制模式1/4波長。轉(zhuǎn)動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的參考信號口；調(diào)節(jié)衰減片8，使光電探測器9不飽和。掃描泵浦-探針延遲時間，并同步采樣鎖相放大器(10)的輸出信號與泵浦-探針延遲時間，獲得圖3中曲線1所示的動力學(xué)曲線。

為了從測量的動力學(xué)曲線1獲取gaas中電子多體效應(yīng)對電子-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，實驗探測到的電子多體效應(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)時的樣品吸收系數(shù)，α^-表示線偏振泵浦激發(fā)時的吸收系數(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為實驗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中實驗曲線1，獲得的最優(yōu)化擬合曲線如圖3中實線2所示。顯然擬合與實驗非常相符。最優(yōu)化擬合給出參數(shù)τs＝572.5ps，τr＝675.6ps，k＝0.62。到此，我們第一次實驗測試了電子多體效應(yīng)對電子-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)測的k＝0.57。

利用本發(fā)明測試方法能夠進(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、磁場和應(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)。