Praca doktorska
Miniatura
Pliki
0000-DR-168294-praca.pdf12.98 MB
Licencja
CC-BYCC-BY - Uznanie autorstwa
 

Wpływ naprężenia na relaksację spinową jonów magnetycznych w nanostrukturach półprzewodnikowych

Uproszczony widok
dc.abstract.plW pracy opisano badania czasów relaksacji spinowej jonów magnetycznych wbudowanych w nanostruktury półprzewodnikowe. Zastosowanie nanostruktur półprzewodnikowych wykonanych z materiałów o różnych stałych sieci krystalicznej pozwoliło na uzyskanie próbek różniących się naprężeniem. Celem pracy było zbadanie wpływu naprężenia obecnego w bezpośrednim otoczeniu jonu magnetycznego na czas relaksacji spinowej jonu manganu Mn2+ oraz jonu kobaltu Co2+. Zasadniczą cechą różniącą obydwa jony jest wartość orbitalnego momentu pędu, która dla jonu manganu Mn2+ jest równa zero (L = 0), zaś dla jonu kobaltu Co2+ jest większa od zera (L = 3). Z tego powodu oddzia ływanie spin-orbita jest znacznie silniejsze w przypadku jonu kobaltu, a co za tym idzie silniejszy jest spodziewany wpływ naprężenia sieci krystalicznej na czas relaksacji spinowej. W badaniach wykorzystano dwa systemy nanostruktur: studnie kwantowe (Cd, Mn)Te/(Cd, Mg)Te, dla których poziom domieszkowania manganem wy nosił około 0,25%, oraz pojedyncze kropki kwantowe CdTe/ZnTe z pojedynczymi jonami kobaltu Co2+. W przypadku studni kwantowych przeprowadzono pomiary optycznie wykrywanego rezonansu paramagnetycznego (ODMR) w polu magnetycznym o arbitralnie wybranym kierunku, w specjalnie do tego celu zaprojektowanym uchwycie (antenie) zapewniającym silne sprzężenie z promieniowaniem mikrofalowym. Wyniki pomiarów połączone z symulacjami numerycznymi pozwoliły na wyznaczenie wartości D: indukowanego naprężeniem parametru osiowej składowej pola krystalicznego Hamiltonianu spinowego. Parametr D jest bezpośrednio związany z deformacją studni kwantowej poprzez parametr G11 opisujący siłę sprzężenia pomiędzy spinem a siecią krystaliczną. Badania wykonano dla serii próbek różniących się zawartością magnezu w warstwie bufora. Taki sposób zaprojektowania próbek skutkował uzyskaniem zadanej wartości deformacji w warstwie studni kwantowej. Uzyskanie konkretnych wartości deformacji zostało pośrednio potwierdzone na podstawie wyników badań magnetospektroskopowych oraz bezpośrednio (dla wybranych próbek) na podstawie rezultatów rozpraszania promieniowania rentgenowskiego. Identyfikacja przejść ekscytonowych związanych z lekkimi i ciężkimi dziurami w widmach odbicia światła białego pozwoliła na wyznaczenie wartości potencjału deformacyjnego w CdTe: b = (−0,94 ± 0,08) eV. Uzyskane wyniki umożliwiły też wyznaczenie wartości parametru sprzężenia spin-sieć dla jonu Mn2+ w CdTe: G11 = (72,2 ± 1,9) neV. Otrzymana wartość G11 jest większa niż jedyna występująca do tej pory w literaturze (57 ± 1,3 neV). Różnicę można przypisać odmiennym technikom wzrostu próbek – w tej pracy wykorzystano epitaksję z wiązek molekularnych (MBE), a w badaniach prezentowanych w literaturze użyto próbek objętościowych, które były wytworzone zmodyfikowaną metodą Bridgmana. Do wyznaczenia czasów relaksacji spinowej wykorzystano rozdzielone w czasie badania ODMR. Otrzymane wyniki pokazują, że w badanym zakresie naprężeń czas relaksacji spinowej jonu manganu Mn2+ skraca się wraz z rosnącą wartością deformacji. Dodatkowo zmierzono zależność szybkości relaksacji spinowej od pola magnetycznego oraz temperatury. Uzyskane wyniki są dobrze odtwarzane w modelu bazującym na równaniach kinetycznych opisujących sześciopoziomowy system zadany Hamiltonianem spinowym. Dominującym mechanizmem relaksacji jest jednofononowy mechanizm bezpośredni. Przeprowadzenie analogicznych badań w przypadku jonów kobaltu Co2+ było niemożliwe z powodu zjawiska wygaszania fotoluminescencji przez przejścia wewnątrzcentrowe. Problem ten rozwiązano poprzez obniżenie wymiarowości nanostruktur. Z tego powodu badania jonu kobaltu prowadzone były dla samozorganizowanych kropek CdTe/ZnTe. Na podstawie badań widm fotoluminenscencji w polu magnetycznym oszacowano wartości parametru D oraz efektywność transferu polaryzacji pomiędzy ekscytonem a jonem kobaltu.Otrzymano wartość bliską jedności, co oznacza, że potrzebny jest średnio jeden ekscyton, aby zmienić wartość rzutu spinu jonu kobaltu na oś kwantyzacji. Ponadto przeprowadzono pomiary czasów relaksacji spinowej, które wykazały, że szybkość relaksacji jonu Co2+ jest o ponad rząd wielkości większa niż jonu Mn2+. Co ciekawe, w otrzymanych wynikach czasy relaksacji nie zależały od wartości parametru D. Wyznaczona dla Co2+ zależność czasu relaksacji od pola magnetycznego jest podobna do tej otrzymanej dla jonu manganu, co ponownie sugeruje bezpośredni mechanizm relaksacji. Dodatkowo, wyzwania eksperymentalne związane z pomiarami czasów relaksacji spinowej jonów w pojedynczych kropkach kwantowych doprowadziły, w ramach przeprowadzonych badań, do opracowania eliptycznych mikrosoczewek polimerowych wykonywanych techniką druku 3D. Soczewki te pozwalają na pewną poprawę ekstrakcji światła z badanych struktur półprzewodnikowych oraz zwiększenie o ponad rząd wielkości dystansu dzielącego próbkę od elementów optycznych układu pomiarowego.
dc.abstract.plThis thesis describes the study of spin relaxation times of magnetic ions embedded in semiconductor nanostructures. The use of semiconductor na nostructures produced from materials with different crystal lattice constants allowed to obtain samples differing in strain. The purpose of this study was to investigate the effect of the strain present in the immediate vicinity of the magnetic ion on the spin relaxation time of the manganese ion Mn2+ and the cobalt ion Co2+. The main feature that differentiates the two ions is the value of the orbital angular momentum, which for the manganese ion Mn2+ is equal to zero (L = 0), while for the cobalt ion Co2+ is greater than zero (L = 3). For this reason, the spin-orbit interaction is much stronger for the cobalt ion, and thus the expected effect of crystal lattice strain on the spin relaxation time is stronger. Two nanostructure systems were used in the study: (Cd, Mn)Te/(Cd, Mg)Te quantum wells, for which the level of manganese doping was about 0.25%, and single CdTe/ZnTe quantum dots with single cobalt Co2+ ions. In the case of quantum wells, optically detected paramagnetic resonance (ODMR) measurements were carried out in a rotating magnetic field in a specially designed holder (antenna), providing a strong coupling with microwave radiation. The results of the measurements combined with numerical simulations allowed the determination of the value of D: the strain-induced parameter of the axial component of the crystal field of the spin Hamiltonian. The parameter D is directly related to the deformation of the quantum well through the parameter G11 describing the coupling strength between the spin and crystalline network. The studies were performed for a series of samples differing in the magnesium content of the buffer layer. This way of designing the samples resulted in obtaining a specified deformation value in the quantum well’s layer. Obtaining specific deformation values was indirectly confirmed based on magnetospectroscopic results and directly (for selected samples) based on X-ray diffraction results. The identification of exciton transitions associated with light and heavy holes in white light reflection spectra allowed the determination of deformation potential values in CdTe: b = (−0.94 ± 0.08) eV. Based on the measured data, the value of the spin-lattice coupling parameter for the Mn2+ ion in CdTe was determined: G11 = (72.2 ± 1.9) neV. The obtained value of G11 is larger than the only one so far reported (57±1.3 neV). The difference can be attributed to the different growth techniques of the samples – in this work, molecular-beam epitaxy (MBE) was used, while the studies presented in the literature used bulk samples, which were produced by the modified Bridgman method. In addition, time-resolved ODMR was used to determine spin relaxation times. The results show that in the strain range studied, the spin relaxation time of the manganese ion Mn2+ shortens with increasing deformation. In addition, the dependence of the spin relaxation rate on the magnetic field and temperature was determined. The obtained results are well-reproduced in a model based on kinetic equations describing a six-level system given by the spin Hamiltonian. The dominant relaxation mechanism is the one-phonon direct mechanism. It was not possible to carry out analogous studies for cobalt Co2+ ions due to the photoluminescence quenching by intra-center transitions. This problem was solved by lowering the dimensionality of nanostructures. For this reason, studies of the cobalt ion were performed for self-organized CdTe/ZnTe dots. Based on the analysis of the photoluminescence spectra in a magnetic field, the values of the D parameter and the polarization transfer efficiency between the exciton and the cobalt ion were estimated. A value close to unity was obtained, which means that an average of one exciton is needed to change the value of the spin projection of the cobalt ion on the quantization axis. In addition, spin relaxation times were measured, which showed that the relaxation rate of the Co2+ cobalt ion is more than an order of magnitude higher than that of the Mn2+ ion. Interestingly, the obtained relaxation times did not depend on the value of the parameter D. The dependence of the relaxation time on the magnetic field measured for the Co2+ is similar to that obtained for the manganese ion, again suggesting a direct relaxation mechanism. In addition, the experimental challenges of measuring the spin relaxation times of magnetic ions in single quantum dots led, as part of the study, to the development of elliptical polymer microlenses made by 3D printing. These lenses allow for a degree of improvement in the extraction of light from the semiconductor structures under study and an increase of more than an order of magnitude in the distance separating the sample from the optical elements of the measurement system.
dc.affiliation.departmentWydział Fizyki
dc.contributor.authorBogucki, Aleksander
dc.date.accessioned2023-12-08T06:49:24Z
dc.date.available2023-12-08T06:49:24Z
dc.date.defence2023-12-18
dc.date.issued2023-12-08
dc.description.additionalLink archiwalny https://depotuw.ceon.pl/handle/item/4822
dc.description.promoterKossacki, Piotr
dc.description.promoterKazimierczuk, Tomasz
dc.identifier.urihttps://repozytorium.uw.edu.pl//handle/item/4822
dc.language.isopl
dc.rightsCC-BY
dc.rightsCC-BY
dc.rights.uriCC-BY
dc.subject.pluchwyt na próbkę
dc.subject.plantena
dc.subject.pleliptyczne mikrosoczewki
dc.subject.plTPP
dc.subject.plfotolitografia dwufotonowa
dc.subject.plmikrodruk
dc.subject.pldruk 3D
dc.subject.plodbicie światła
dc.subject.plPL
dc.subject.plfotoluminescencja
dc.subject.plpole magnetyczne
dc.subject.plmagnetospektroskopia
dc.subject.plspektroskopia
dc.subject.plpotencjał deformacyjny
dc.subject.plHamiltonian spinowy
dc.subject.plindukowany naprężeniem parametr osiowej składowej pola krystalicznego
dc.subject.plD
dc.subject.plstała sprzężenia spin-sieć G11
dc.subject.plGaAs
dc.subject.plarsenek galu
dc.subject.plCdTe
dc.subject.pltellurek kadmu
dc.subject.plkobalt
dc.subject.plmangan
dc.subject.pljony
dc.subject.plsamozorganizowane kropki kwantowe
dc.subject.plstudnie kwantowe
dc.subject.plpółprzewodniki
dc.subject.plnanostruktury
dc.subject.pldeformacja
dc.subject.plnaprężenie
dc.subject.plczas relaksacji spinowej
dc.subject.plspin
dc.subject.plpromieniowanie mikrofalowe
dc.subject.plODMR
dc.subject.ploptycznie wykrywany rezonans paramagnetyczny
dc.subject.plsample holder
dc.subject.plantenna
dc.subject.plelliptical microlenses
dc.subject.plTPP
dc.subject.pltwo-photon photolithography
dc.subject.plmicro printing
dc.subject.pl3D printing
dc.subject.pllight reflection
dc.subject.plPL
dc.subject.plphotoluminescence
dc.subject.plmagnetic field
dc.subject.plmagnetospectroscopy
dc.subject.plspectroscopy
dc.subject.plshear deformation potential
dc.subject.plspin Hamiltonian
dc.subject.plstrain-induced axial-symmetry parameter
dc.subject.plD
dc.subject.plspin-lattice coupling parameter G11
dc.subject.plGaAs
dc.subject.plgallium arsenide
dc.subject.plCdTe
dc.subject.plcadmium telluride
dc.subject.plcobalt
dc.subject.plmanganese
dc.subject.plions
dc.subject.plself-assembled quantum dots
dc.subject.plquantum wells
dc.subject.plsemiconductors
dc.subject.plnanostructures
dc.subject.pldeformation
dc.subject.plstrain
dc.subject.plspin relaxation time
dc.subject.plspin
dc.subject.plmicrowave radiation
dc.subject.plODMR
dc.subject.ploptically detected magnetic resonance
dc.titleWpływ naprężenia na relaksację spinową jonów magnetycznych w nanostrukturach półprzewodnikowych
dc.title.alternativeThe influence of strain on magnetic ion relaxation time in semiconductor nanostructures
dc.typeDoctoralThesis
dspace.entity.typePublication