optical orientation

А К А Д Е М И Я Н А У К СССРФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. А. Ф. ИОФФЕ

СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ НАУКИ

О КОНДЕНСИРОВАННЫХ

СРЕДАХ

Главные редакторы серии:

В. М. АГРАНОВИЧ (Москва, СССР)А. А. МАРАДУДИН (Ирвайн, Калифорния, США)

Консультативный совет серии:

Ф. АБЕЛЕС (Париж, Франция)Н. БЛОМБЕРГЕН (Кембридж, США)Е. БУРШТЕЙН (Филадельфия, США)

М. Д. ГАЛАНИН (Москва, СССР)В. Л. ГИНЗБУРГ (Москва, СССР)

И. П. ПЛАТОВА (Ленинград, СССР)А. А. КАПЛЯНСКИЙ (Ленинград, СССР)

Л. В. КЕЛДЫШ (Москва, СССР)Р. КУБО (Токио, Япония)

Р. ЛОУДОН (Колчестер, Великобритания)А. М. ПРОХОРОВ (Москва, СССР)

К. К. РЕБАНЕ (Таллинн, СССР)И. Л. ФАБЕЛИНСКИЙ (Москва, СССР)

X. ХАКЕН (Штутгарт, ФРГ)Р. М. ХОХШТРАССЕР (Филадельфия, США)

ОПТИЧЕСКАЯОРИЕНТАЦИЯ

Под редакцией

Б. II. ЗАХАРЧЕНИ (Ленинград, СССР),

Φ. ΜΑЙΕΡΑ (Цюрих, Швейцария)

ЛЕНИНГРАД« Н А У К А »

ЛЕНИНГРАДСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

1 9 8 9

УДК 587.632

Оптическая ориентация. — Л.: Наука, 1989. — 408 с.

В книге излагаются физические аспекты оптической ори-ентации электронных и ядерных спинов в полупроводниках.Рассмотрение теории ориентации сцпнов светом сопровожда-ется изложением результатов экспериментальных исследо-ваний данного явления методами поляризованной люмине-сценции, электронного и ядерного парамагнитных резонан-сов, динамической поляризации ядер, выстраивания электрон-ных моментов. Большое внимание уделяется анализу поля-ризации и энергетического распределения ориентированныхсветом фотоэлектронов, эмитированных пз кристаллов,а также нелинейным эффэктам и другим явлениям, не име-ющим аналогов при оптической ориентации в газах.

Книга предназначена для специалистов в области физикиполупроводников и твердого тела, а также может служитьметодическим пособием для студентов и аспирантов, изучаю-щих физику полупроводников.

Р е ц е н з е н т ы :

Э. И. Р А Ш Б А , А. А. К А П Л Я Н С К И Й

П е р е в о д ч и к

Е. Л. ИВЧЕНКО (главы 6-11)

ISBN 5-02-024533-Х

© North Holland company, 1984

© Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе, 1989

© Перевод на русский язык Е. Л. Ивченко (главы 6—11), 1989

О СКОЛЬКО ИХ НА ПОЛЯХ!НО КАЖДЫЙ ЦВЕТЕТ ПО-СВОЕМУ -В ЭТОМ ВЫСШИЙ ПОДВИГ ЦВЕТКА!

Мацуо Басе (1844—1694)

ПРЕДИСЛОВИЕ К СЕРИИ

Издание «Современные проблемы науки о конденсиро-ванных средах» задумано как серия монографий, посвященныхнауке о конденсированных средах, которую публикуют изда-тельства «Норс Холланд компани» и «Наука». Эта обширнаяобласть физики в настоящее время бурно прогрессирует,а полученные в ее рамках многочисленные результаты в зна-чительной мере определяют лицо современной науки. Есте-ственно, что отразить ее важнейшие успехи и тенденции раз-вития под силу лишь международному коллективу авторов.

В работе над данной серией принимают участие советскиеи западные ученые, и поэтому каждая коллективная моногра-фия имеет двух редакторов.

Идея серии и представления о ее нынешней структуреродились в ходе дискуссий, происходивших в СССР и СШАво время встреч бывшего президента «Норс-Холланд компани»доктора В. X. Виммерса с главными редакторами серии. По-видимому, главным итогом этих дискуссий следует считатьне только создание серии монографий, способной стать своеоб-разной энциклопедией, но и возникновение довольно интереснойи плодотворной формы сотрудничества ученых разных стран.Это обстоятельство является также существенным, поскольку,по нашему глубокому убеждению, международное сотрудни-чество как в области науки и искусства, так и в других полез-ных сферах человеческой деятельности содействует созданиюклимата доверия и мира.

В. М. Агранович, А. А. Марадудин

ПРЕДИСЛОВИЕ К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ

Выход в свет русского издания коллективной монографии«Оптическая ориентация» доставляет нам глубокое удовлетво-рение. Это сделает единственную пока в мировой литературемонографию по этой теме доступной широкому кругу совет-ских читателей.

Поскольку издание монографии на английском языкевышло еще в 1984 г., ряд статей был специально переработандля советского издания с тем, чтобы отразить последние до-стижения в соответствующих направлениях исследований.Последнее относится лишь к статьям советских авторов. Пере-вод статей зарубежных авторов выполнен без изменений поизданию на английском языке. Мы признательны Е. Л. Ив-ченко, выполнившему эти переводы.

Б. П. Захарченя, Ф. Майер

ПРЕДИСЛОВИЕ К АНГЛИЙСКОМУ ИЗДАНИЮ

Монография представляет собой первый подробный обзорисследований по оптической ориентации в полупроводниках,выполненных за последние 15 лет учеными Франции, СССР,США и Швейцарии.

История возникновения и развития исследований по опти-ческой ориентации электронных и ядерных спинов в полупро-водниках в достаточном объеме изложена во вводных главахкниги, поэтому в предисловии мы не будем останавливатьсяна этом вопросе.

Монография состоит из двух частей.В первой части излагаются результаты исследований эф-

фекта оптической ориентации и выстраивания электронов иэкситонов, а также исследования по оптической поляризацииядер, возникающей вследствие сверхтонкого взаимодействияориентированных электронов с ядрами кристаллической ре-шетки.

Ко второй части относятся исследования по изучению опти-чески ориентированных фотоэлектронов, эмитированных изкристаллов.

Комментируя первую часть, следует подчеркнуть следую-щее обстоятельство: многие эффекты, наблюдаемые при опти-ческой поляризации в полупроводниках, по своей физическойприроде весьма близки к явлениям, обнаруженным при опти-ческой накачке в газах. Вместе с тем в системе сильно свя-занных электронных и ядерных спинов, ориентированныхсветом, наблюдаются эффекты, не имеющие аналогов в опти-ческой накачке газов. Особенно ярко они проявляются в оченьслабых внешних полях. Подробнее этот вопрос рассмотренв нескольких главах монографии. Однако указанное обстоя-тельство важно, поэтому мы упоминаем о нем в самом началекниги.

Хотя в первых опытах Лампеля в 1968 г. оптическая ориен-тация в кремнии была зарегистрирована обычной техникойЯМР, основным методом детектирования спиновой ориентациипри оптической накачке в полупроводниках стало изучение

Предисловие к английскому изданию

степени поляризации рекомбинационного излучения. Этот ме-тод впервые был успешно продемонстрирован Парсонсом.

Метод оптической ориентации вместе с оптическим детек-тированием поляризованных электронов, экситонов и дырокпозволил измерить с большой точностью ряд параметровзонной структуры, изучить процессы в системе свободныхносителей и экситонов, протекающие за пикосекундные вре-мена. Исследования по оптической ориентации привели к со-зданию чувствительных способов оптического детектированиямагнитных резонансов. Это позволило наблюдать резонансыв малых объемах вещества, например в очень тонких эпитак-сиальных пленках полупроводников. Именно этим способомнаблюдались резонансы, детектирование которых классическимиметодами затруднено или невозможно (квадрупольные и много-квантовые резонансы, многоспиновые резонансы).

Метод оптического детектирования применим лишь в техслучаях, когда время жизни возбужденных светом электроновменьше времени их спиновой релаксации. По этой причинеэтот метод пока не удалось использовать для непрямых полу-проводников, например для кремния. Для детектированияоптической поляризации в кремнии применяется обычнаятехника ЯМР. Оказалось, что в специально легированномкремнии сигнал ядерного резонанса оптически поляризован-ных ядер в сотни раз больше, чем наблюдавшийся в экспери-ментах 1968 г. Это позволило развить исследования по опти-ческой поляризации в кремнии и накопить обширную инфор-мацию о процессах спиновой релаксации ядер с учетом ихспиновой диффузии в полупроводниках с однородным и неодно-родным распределением примесей и дефектов. К сожалению,обзор этих работ не вошел в настоящую книгу. Во вводнойглаве Переля и Захарчени содержится лишь краткое их ре-зюме.

Следует упомянуть также об эксперименте Власенко, Флей-шера и Заварицкого, которым удалось с помощью квантовогоинтерферометра SQUID зарегистрировать сигнал ядерной по-ляризации оптически ориентированных ядер в кремнии. По-скольку этот эксперимент был выполнен недавно, он такжене вошел в книгу.

Во второй части книги рассматривается применение методаоптической ориентации спинов в экспериментах по фотоэмиссииэлектронов. Сохранение преимущественной ориентации спи-нов электронов при выходе их из кристалла и возможностьее экспериментального измерения были показаны еще в 1968 г.Зигманом с сотрудниками. Однако несмотря на интенсивное

8

Предисловше к английскому изданию

в то время развитие исследований по спектроскопии эмитиро-ванных электронов подобные эксперименты несколько летставились только отдельными исследовательскими группами.Первые эксперименты по фотоэмиссии поляризованных элек-тронов относились исключительно к магнитным материалам,в которых поляризация спинов электронов имеет место ужев основном состоянии системы. Среди заметных успехов, полу-ченных с помощью нового метода, можно отметить, например,обнаружение отрицательной поляризации спинов у электроноввблизи поверхности Ферми в никеле. Значительное расшире-ние работ по исследованию фотоэмиссии поляризованныхэлектронов начинается с 1974 г., когда была показана возмож-ность эмиссии высокополяризованных электронов также изматериалов, не обладающих упорядочением электронных спи-нов в невозбужденном состоянии. В таких материалах поля-ризация спинов достигается в результате оптического возбуж-дения, т. е. с помощью метода оптической ориентации спинов.

Оптически ориентированные фотоэлектроны были впервыеполучены в экспериментах с кристаллами GaAs, правда, ужепосле того как эффективность метода оптической ориентациив твердом теле была показана другими методами. Эти экспе-рименты имели весьма заметное влияние на развитие всейспектроскопии эмитированных электронов, так как обогатилиисследователей новым, очень эффективным источником поляри-зованных электронов. Применение пучков поляризованныхэлектронов в атомной физике, физике твердого тела и физикевысоких энергий рассматривается в главе Пирса и Челотты.Хотя полезность GaAs-источника поляризованных электроновбыла продемонстрирована на целом ряде примеров, все жесуществует важная проблема замены его устройством, котороедавало бы не 50-процентно, а полностью поляризованный пучокэлектронов (с одинаковой ориентацией спинов всех электронов)без ухудшения других его важных свойств — высокой интен-сивности и возможности смены знака поляризации.

Вскоре после того, как фотоэлектроны были оптическиориентированы в GaAs, стало ясно, что этот метод обладаетогромным потенциалом и как средство проведения чисто спек-троскопических исследований. Как будет показано в главахВолеке и Борштеля, а также Майера и Песиа, поляризацияфотоэлектронов, возбуждаемых в конкретных переходах, опре-деляется просто симметрией электронных состояний, участвую-щих в переходе. При наблюдении переходов из начальныхсостояний с близкими энергиями (например, d-зон в переходныхметаллах) знак поляризации уже сам по себе может быть

Предисловие к английскому изданию

очень полезен для определения симметрии состояний. Увели-чение разрешения по сравнению с обычными методиками можетбыть достигнуто и в часто встречающемся случае, когда двасоседних перехода обладают поляризациями противополож-ных знаков. Чувствительность поляризационных спектровк расположению атомов на поверхности не была использованапока вовсе, например, для наблюдения структурных фазовыхпереходов или геометрии адсорбции. Возможно, наиболееважное применение оптической ориентации спинов состоитв экспериментальном определении гибридизации энергети-ческих зон. Это важное свойство электронных состояний,которое обычно не удается установить из измерений простоэнергетического или углового распределений фотоэмитиро-ванных электронов.

Представляется, что в настоящее время механизм опти-ческой ориентации спинов уже достаточно хорошо понят.Задачей дальнейших работ является максимальное исполь-зование богатых возможностей этого все еще нового метода.

Ф. Майер, Б. П. Захарченя

Г л а в а 1 ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯПРИ ОПТИЧЕСКОЙ ОРИЕНТАЦИИ

В. И. Перелъ, Б, Л. Захарченя

Общие принципы оптической ориентации были установлены в ходе блестя-щих исследований Кастлера [1] и его школы. Обзор этих исследований содер-жится в нобелевской лекции Кастлера.

В 20-х годах в пионерских работах Вуда и Ханле было обнаружено влияниеслабого магнитного поля на поляризацию резонансной флуоресценции паровртути и натрия. Значение этих работ не было вполне осознано до 1949 г. В этомгоду появилась работа Бросселя и Кастлера [2], положившая начало система-тическому изучению круга явлений, сформировавших ветвь физики, которую мыназываем сейчас оптической накачкой [3, 4].

Можно сказать, что все процессы в физических системах в принципе имеютглавный источник — неодинаковость заселенности различных состояний. Есте-ственной причиной этого неравенства в термодинамическом равновесии явля-ется распределение Больцмана, согласно которому заселенность состоянийтем меньше, чем больше их энергия. Однако заселенность состояний, имеющиходинаковую энергию, — вырожденных состояний — одинакова в равновесии,,так что внешние воздействия не могут индуцировать переходы между ними.Причиной вырождения является, как правило, симметрия, и для того чтобывсе-таки наблюдать эти переходы, необходимо снять вырождение с помощьювнешнего поля, изменяющего симметрию системы. На этом основаны классиче-ские методы регистрации электронного и ядерного парамагнитных резонансов,которые требуют достаточно сильных магнитных полей и низких температур,чтобы повысить разность заселенностей подуровней до значений, определяемыхчувствительностью аппаратуры.

Расновесное распределение можно изменить, воздействуя на систему светомузкого спектрального состава, который индуцирует переходы между уровнями,уменьшая заселенность нижнего уровня и увеличивая верхнего. При этом име-ются в виду уровни, энергетическое расстояние между которыми велико и ихнаселенности в равновесии сильно различаются. Оптическое возбуждение остав-ляет заселенность вырожденных состояний одинаковой, если исходить толькоиз энергетических соображений.

Главным результатом исследований Кастлера и его сотрудников было ясноеосознание и практическая реализация того факта, что оптическое возбуждениеприводит к различной заселенности вырожденных или почти вырожденных под-уровней, принадлежащих двум уровням, связанным оптическими переходами.Причиной служит анизотропия оптического возбуждения, обусловленнаяпоперечностью электромагнитной волны. Эту анизотропию можно значительноусилить, если применить для возбуждения поляризованный (циркулярно илилинейно) свет. На этом основан метод оптической накачки.

Эффективность метода обусловлена тем, что в большинстве случаев релакса-ционное перемешивание между вырожденными или почти вырожденными со-

Основные физические явления при оптической ориентации 13

Выше мы упоминали о влиянии магнитного поля на поляризацию резонанс-ной люминесценции. Исследование зависимости поляризации люминесценцииот магнитного поля (эффект Ханле) стало традиционным приемом, часто исполь-зуемым в экспериментах по оптической накачке. Можно дать различные интер-претации этого явления. Наиболее проста и наглядна классическая интер-претация.

Циркулярная поляризация люминесценции обусловлена передачей угловогомомента от электронов свету, поэтому степень такой поляризации пропорцио-нальна проекции среднего спина электрона на направление наблюдения. Тогдаесли возбуждение коллинеарно наблюдению, а магнитное поле перпендикулярноэтому направлению, то в стационарных условиях происходит следующее:свет ориентирует возбужденные электроны вдоль луча, а магнитное поле раз-ворачивает спины, так что в любой момент времени спиновое распределениеэлектронов в плоскости z—у имеет вид, изображенный на рис. 1.2. С увеличениеммагнитного поля средняя проекция спина на ось z уменьшается, а следовательно,падает и степень циркулярной поляризации люминесценции. Поляризацияпрактически исчезает, если произведение угловой скорости прецессии спинав магнитном поле на время жизни спина становится большим. Ясно, что такиеизмерения дают время жизни спина. С точки зрения квантовой теории цирку-лярная поляризация есть результат когерентности состояний со спином, ориен-тированным по и против поля. Когда соответствующие уровни раздвигаются навеличину, превышающую их ширину, когерентность исчезает, а с ней и цирку-лярная поляризация люминесценции. Важно, что здесь существенно только од-нородное уширение уровней, связанное со временем жизни спина соотношениемнеопределенности. Различные же механизмы неоднородного уширения (эффектДоплера в газах, случайные поля в кристаллах) не играют роли. Это позволяетизмерить параметры однородного уширения, связанные со временем жизни ивременем спиновой релаксации, в условиях, когда в спектре оно полностьюзамаскировано неоднородным уширением.

Главные закономерности явления оптической ориентации (в более общемсмысле — оптической накачки) имеют вполне универсальный характер. Однакодолгое время эксперименты по оптической накачке осуществлялись лишь дляизолированных атомов газов.

В физике твердого тела методы оптической ориентации первоначально ис-пользовались в случаях, аналогичных переходам между уровнями атомов в га-зах: исследовались переходы между уровнями примесных центров в кристал-лах [5 — 7]. Специфическое направление исследований связано с ориентациейтриплетных экситонов в молекулярных кристаллах. В этих исследованиях [8]регистрация осуществлялась по ядерной поляризации, возникающей за счетдинамической поляризации протонов антрацена ориентированными экситонами.

Лампель в 1968 г. [9] осуществил эксперимент по оптической ориентацииэлектронов в полупроводниках. Объектом исследований служил кремний. Из-занаблагоприятного соотношения времен жизни и времени спиновой релаксациистепень ориентации электронов была мала, но достаточна, чтобы поляризоватьядра решетки кристалла. Поляризация ядерных спинов детектировалась обыч-ной техникой ЯМР.

В последующие годы для электронов в полупроводниках был применен весьарсенал классических методов оптической накачки: регистрация ориентацииэлектронов по циркулярной поляризации фотолюминесценции и деполяризацииизлучения в магнитном поле — эффект Ханле [10—12]; оптическая регистра-ция ядерного [13, 14] и электронного [15] парамагнитных резонансов; ориента-ция основных носителей заряда — аналог оптической ориентации в основномсостоянии [16, 17].

и ядерных спинов. Сюда относятся гистерезис, бистабильность и незатухаю-щие релаксационные колебания поляризации люминесценции (см. главу 5).

Наблюдались многоспиновые ядерные магнитные резонансы [25]. Была об-наружена сильная анизотропия оптической ориентации в магнитном поле в твер-дых растворах Ga x Al 1 - x As и др. Как было показано, эта анизотропия связанас квадрупольным расщеплением ядерных спиновых уровней, которое обуслов-лено локальным нарушением кубической симметрии при замещении части ато-мов галия на алюминий. Оптически были зарегистрированы запрещенныеЯМР-переходы, связанные с квадрупольным взаимодействием [26], и квадру-польный резонанс ядер [27].

Я М Р н а о п т и ч е с к и о р и е н т и р о в а н н ы х я д р а хв к р е м н и и . Было показано, что исследование оптической ориентациив кремнии методами ЯМР и ЭПР позволяет разделить эффекты, возникающиеиз-за мелких и глубоких примесных электронных состояний [28, 29]. Это свя-зано с тем, что поляризация ядер электронами, находящимися на мелких уров-нях, обусловлена в основном фермиевским контактным взаимодействием. Поля-ризация ядер электронами глубоких уровней обусловлена диполь-дипольнымвзаимодействием и имеет противоположный знак. Это открывает большие возмо-жности исследования примесей и дефектов, в том числе радиационных дефек-тов и дефектов, возникающих при пластической деформации.

Необычное поведение оптической поляризации ядер было обнаружено в крем-нии, содержащим дефекты такого рода. Степень поляризации ядер в этом мате-риале не зависит от поляризации света накачки и при этом она на 2—3 порядкавыше, чем в образцах кремния, не подвергнутых радиационному облучению,пластической деформации или термообработке. Как было показано в [30],это связано с неодинаковой заселенностью (выстраиванием) различных подуров-ней триплетных возбужденных состояний дефектов и возникновением электрон-ной ориентации в магнитном поле, направленном под углом к оси дефекта.

П о л я р и з а ц и я г о р я ч е й ф о т о л ю м и н е с ц е н ц и и . Былопоказано, что исследование поляризации горячей люминесценции в магнитномполе (см. главу 4) позволяет измерить времена излучения оптических фононови междолинных переходов. Эти времена составляют 10-12—10-13 с. Было пока-зано также, что в горячей люминесценции проявляется выстраивание фотовоз-бужденных электронов по импульсам и корреляция между импульсами и спи-нами [31, 32]. Выстраивание фотовозбужденных электронов приводит к поля-ризационно-зависимому поверхностному фотогальваническому эффекту [33].

Д и ф ф у з и я и д р е й ф « м е ч е н ы х » п о с п и н у э л е к т р о -н о в в г е т е р о с т р у к т у р а х . Гарбузов и др. [34] исследовали опти-ческую ориентацию в двойной гетероструктуре GaxAl1-xAs. При этом наблюда-лось две полосы люминесценции — коротковолновая, обусловленная излу-чателыюй рекомбинацией во внешней широкозонной области, и длинноволноваяиз внутренней узкозонной. Отношение поляризаций этих полос зависит от того,каким образом попадают электроны в узкозонную область: путем диффузииориентированных электронов или в результате переизлучения фотонов. В этихопытах была исследована относительная роль этих двух процессов в зависимо-сти от толщины широкозонного слоя.

При исследовании эффекта Ханле в варизонной структуре (т. е. в материале,в котором ширина запрещенной зоны плавно меняется от поверхности в глубьобразца) наблюдались осцилляции поляризации в зависимости от энергиифотонов или в зависимости от магнитного поля [35, 36]. Для такой структурыимеется однозначное соответствие между энергией фотона люминесценции иглубиной, на которой он испущен. Электроны, возбужденные светом на поверх-ности, дрейфуют в глубь кристалла, и их спин прецессирует в магнитном поле.

Основные физические явления при оптической ориентации 15

16 Глава 1

Осцилляции в спектре поляризации люминесценции обусловлены тем, что уголпрецессии периодически зависит от времени, а значит, и от глубины, которойдостиг электрон.

Л и т е р а т у р а

Г л а в а 2ТЕОРИЯ ОПТИЧЕСКОЙ ОРИЕНТАЦИИСПИНОВ ЭЛЕКТРОНОВИ ЯДЕР В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

М. И. Дьяконов, В. И. Перелъ

1. Введение

При межзонном поглощении фотона в полупроводнике рождаются элек-трон в зоне проводимости и дырка в валентной зоне, причем суммарный спинэлектрона и дырки должен быть равен угловому моменту поглощенного фотона.Фотоны света, поляризованного по правому или левому кругу, имеют проекциюуглового момента на направление волнового вектора, равную +1 или —1 со-ответственно. Этот угловой момент распределяется между фотовозбужденаымиэлектроном и дыркой в соответствии с правилами отбора, которые определяютсязонной структурой полупроводника. Фотовозбужденные носители живут неко-торое время τ до рекомбинации. В течение этого времени благодаря различнымпроцессам релаксации спиновая ориентация носителей уменьшается. Еслиориентация не полностью исчезла к моменту рекомбинации, то рекомбинацион-ное излучение окажется частично поляризованным по кругу.

Таким образом, процесс оптической ориентации включает две стадии: созда-ние ориентированных по спину носителей при поглощении циркулярно поля-ризованного света и спиновая релаксация, происходящая в течение временижизни носителей.

Степень циркулярной поляризации рекомбинационного излучения служитудобным и чувствительным индикатором спинового состояния носителей и егоизменений под влиянием внешних воздействий и релаксационных процессов,определяющих кинетику неравновесных носителей в полупроводнике.

Наряду с оптическим возможны и другие методы регистрации спиновойориентации носителей. Так, в эксперименте Лампеля [1], впервые продемон-стрировавшего возможность оптической ориентации свободных электроновв полупроводнике, методом регистрации служил ядерный магнитный резонанс.Ядра 29Si в кристалле кремния поляризовались благодаря сверхтонкому вза-имодействию с оптически ориентированными электронами. Оптический методрегистрации впервые применил Парсонс [2], исследовавший оптическую спино-.вую ориентацию в GaSb (см. также [3]).

Типичная схема эксперимента по оптической ориентации представлена нарис. 2.1.

Степень спиновой ориентации фотовозбужденных носителей определяетсяособенностями зонной структуры, типом оптических переходов, процессамирелаксации и влиянием различных внешних воздействий. Именно поэтомуоптическая ориентация служит эффективным методом исследования физическихпроцессов в полупроводниках. Особенно подробно исследована оптическаяориентация в арсениде галлия и твердых растворах на его основе. Первые экспе-рименты по оптической ориентации в этих материалах были выполнены Екимо-вым и Сафаровым [4] и Захарченей, Флейшером и др. [5]. Оптическая ориента-ция проявляется во всех типах краевой люминесценции, в частности в рекомби-национном излучении оптически ориентированных экситонов, обнаруженномвпервые Гроссом и др. [6] в гексагональных кристаллах CdSe. Измерения по-

2 Заказ № 392

Г л а в а 3СПИНОВАЯ РЕЛАКСАЦИЯ НОСИТЕЛЕЙПРИ ОПТИЧЕСКОЙ ОРИЕНТАЦИИВ ПОЛУПРОВОДНИКАХ

Г. Έ. Пикус, А. Н. Титков

1. Введение

Метод оптической ориентации дает возможность измерять весьма малыезначения времен спиновой релаксации — до 10-12 с, недоступные при исследо-вании обычными радиоспектроскопическими методами. С другой стороны, в ус-ловиях оптической накачки проявляются новые механизмы спиновой релакса-ции, не сказывающиеся в обычных условиях исследования ЭПР. К их числуотносится механизм, предложенный Дьяконовым и Перелем [1, 2] (механизмДП), обусловленный спиновым расщеплением зоны проводимости в кристаллахбез центра инверсии. Особенностью экспериментов по оптической ориентацииявляется то, что в них, как правило, изучается ориентация неосновных носи-телей — обычно электронов, при этом для обеспечения достаточно интенсивнойлюминесценции используются материалы с большой концентрацией основныхносителей — дырок. В этих условиях становится существенным механизм ре-лаксации, связанный с обменным взаимодействием электронов и дырок. Этотмеханизм был предложен Биром, Ароновым и Пикусом [3] (механизм БАП).

Наряду с этим в условиях оптической ориентации в некоторых случаях можетиграть роль и механизм Эллиота—Яфета (механизм ЭЯ) [4, 5], обычно про-являющийся при исследовании ЭПР на свободных носителях. В основе этогомеханизма лежит возможность переворота спина при рассеянии носителей напримесях или колебаниях решетки в результате смешивания состояний с разнойориентацией спина вследствие спин-орбитального взаимодействия. В опреде-ленных условиях в полупроводниках может иметь место заметное поглощениерекомбинационного излучения с образованием новой пары. Этот процесс пере-излучения также приводит к уменьшению поляризации вторичного излученияи поэтому может рассматриваться как механизм спиновой релаксации.

В разделе 2 настоящего обзора мы изложим теорию указанных механизмовспиновой релаксации и, в частности, рассмотрим влияние на нее одноосныхдеформаций и магнитного поля. Для того чтобы рассмотреть эти механизмы еди-ным образом, мы ограничились одним классом кристаллов — прямозоннымикубическими полупроводниками со структурой цинковой обманки, имея в виду,что основные эксперименты по оптической ориентации свободных носителейвыполнены на кристаллах А3В5, относящихся к этому классу. В разделе 3мы проанализируем имеющиеся экспериментальные данные по зависимостивремен спиновой релаксации в разных материалах от температуры и концентра-ции примесей, а также данные о влиянии внешних деформаций и магнитногополя. Из сопоставления этих данных с теорией мы установим области преобла-дания того или иного механизма спиновой релаксации.

В настоящем обзоре мы не будем рассматривать специфические механизмыдеполяризации, проявляющиеся при оптической ориентации и выстраиваниисвободных и связанных экситонов. Эти вопросы подробно рассмотрены в обзореПикуса и Ивченко [6]. Мы также не рассматриваем механизмы спиновой релак-сации электронов, связанных на примесях.

;ул;Г Λ IT

эваию