电子自旋弛豫机理研究
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收稿日期:2007-07-15电子自旋弛豫机理研究吴 羽(广州大学实验中心,广东广州510006)摘 要:确定电子自旋稳定性的最重要的性质是自旋弛豫时间,文中介绍了DP、EY、BAP等三种重要的自旋弛豫机制以及它们的实验进展,为室温下可以使用的自旋电子器件设计提供了重要依据.关键词:自旋弛豫;电子;空穴;自旋电子器件[中图分类法]T N14 [文献标识码]A [文章编号]1003-6180(2007)04-0019-0220世纪后半期,基于半导体硅的电子产业取得了突飞猛进的发展和极为广泛的应用.然而,科学家发现,当半导体组件减小到纳米尺度后,许多宏观特性丧失,使得基于电子的粒子性设计的传统微电子器件不能再有效工作,而此时电子自旋的作用突显出来.人们正设法利用电子的自旋自由度来设计量子器件.半导体自旋电子学希望利用半导体中的电子和空穴的自旋自由度来实现自旋电子器件和传统电子器件的集成制造.已经证明,高的自旋极化注入效率、长的自旋弛豫时间、自旋输运、控制和自旋检测,使半导体自旋电子器件可以执行新的功能.为了利用电子的自旋来储存和处理信息,要求电子自旋比较稳定,不容易受干扰.确定电子自旋稳定性的最重要的性质是其自旋弛豫时间.当自旋发生弛豫的时候,储存在自旋中的编码信息会丢失,因此,希望电子自旋的弛豫时间越长越好.这样,研究自旋弛豫,寻求各种办法来控制自旋弛豫,使得自旋能够保持足够长的记忆时间成为人们研究的热点.人们对半导体中的电子自旋弛豫已进行过许多研究,目前人们普遍认同三种弛豫机制,D yakonov-Perel(DP)机制、Elliott-Yafet(EY)机制和Bir-Aronov-Pikus(BAP)机制.1 DP机制DP机制是源于中心反演不对称系统的自旋-轨道相互作用,它使得导带的自旋分裂.这一分裂等效于存在一个与波矢相关的有效磁场,驱使自旋围绕它进动.而载流子与载流子、声子、杂质等的散射作用导致波矢的随机化,从而导致有效磁场的随机化,则总体的自旋极化就会随之衰减,即产生自旋极化弛豫.因此,电子自旋弛豫时间与动量弛豫时间成反比,称为 运动性减慢 .当散射事件发生的越频繁,这种 运动性减慢 作用越强,自旋弛豫时间越长.L.M unoz根据DP机制推出量子阱中电子的自旋弛豫时间[1]1s D P=2 2E12k B TE g 2p.(1)其中 = -3(E g)1/2(2m*)3/2,m*是有效质量, 是分裂系数,E le是量子阱中第一电子束缚态能量,E g是带隙能量.2 EY机制Elliott-Yafet机制是基于自旋-轨道耦合,使具有相反自旋量子数的波函数彼此耦合,具有确定自旋方向和不确定动量的自旋本征态不再存在.这样,动量散射过程能直接导致自旋的翻转散射.由于自旋轨道耦合相互作用,导带中电子的哈密顿量出现一个由自旋轨道耦合相互作用引入的相互作用能H EY=4m e2c2V(r)r L S.其中m e是电子的有效质量,V(r)为载流子的散射势,L、S分别表示轨道角动量和自旋角动量.Atsushi Tackeuchi等人在忽略了能量的依赖关系以后计算出量子阱中EY弛豫机制决定的自旋弛豫时间为[2]1sEY=89(E g+)2(1-m*m0)2E1e k B TE2g1p. (2)其中 为自旋分裂能量(对于GaAs, =0.34eV).DP机制和EY机制最大的区别在于它们对动量弛豫时间 p有相反的依赖关系.增强散射强度会使EY机制更有效,而DP机制的作用将减弱.事实上,在EY过程中碰撞散射会使自旋翻转,碰撞越剧烈,自旋翻转几率越大.而DP机制中碰撞通过波矢方向的变化来改变电子的有效磁场,从而间接改变自旋进动的方向.3 BAP机制在电子-空穴交换散射中发现,空穴动量散射较强,它引起电子的自旋翻转散射.即空穴自旋以有效磁场作用于电子自旋,使得电子进动,当空穴动量弛豫速率大于有效磁场的进动速率时,即当电子自旋还没有进动完一个周期前空穴动量就19改变,则交换散射作用使得电子自旋翻转,那么电子自旋弛豫又回到 运动性减慢 的DP模式.对空穴简并情况,自旋弛豫速率有如下形式[3]:1 s BAP=3V k k B TV B FN p a B3 (3)其中 0是如交换分裂参数,N p是空穴浓度.BAP机制主要在大量空穴存在时起主导作用,对n型半导体,由于大量电子的存在使得电子空穴快速复合,BAP作用就被阻碍了.4 实验研究由于自旋弛豫时间对物质参数有不同的依赖关系,人们往往通过自旋弛豫时间与维数、温度、掺杂浓度、阱宽等参数的关系来判断是哪种机制在自旋弛豫过程中起主导作用.早期关于自旋弛豫的工作集中在体材料上,Pil H un So ng和K. W.Kim[4]根据EY、DP、BAP机制以温度和掺杂浓度作为参量,理论上计算了n-型以及p-型GaAs、GaSb、InAs、InSb等体材料的导带电子自旋弛豫时间,并比较了各弛豫机制在不同条件下的作用.发现当上述四种材料为n-型掺杂,受主浓度为N A=5 1013cm-3,施主浓度N D在1014 ~1020cm-3之间变化时,DP机制主要作用于低温至高温,而在较低的温度下,EY机制占主导地位.当上述四种材料为p-型掺杂,施主浓度N D= 5 1013cm-3,受主浓度N A在1014~1020cm-3之间变化时,BAP机制主要作用于低温和高受主浓度下,DP机制主要作用于高温和低受主浓度下.半导体中的自旋弛豫,维数的变化对自旋弛豫影响很大.Tacheuchi等[5]利用利用瞬态饱和吸收技术测量了不同阱宽下无掺杂GaAs/AlGaAs多量子阱材料和InGaAs/InP多量子阱材料中电子的自旋弛豫时间.实验发现电子的自旋弛豫时间跟束缚能有关,并且有,这与根据DP机制推导出的理论关系式相近,因此得出室温下GaAs/AlGaAs多量子阱中电子自旋的主导弛豫机制是DP机制.实验还测得带隙是GaAs/AlGaAs量子阱的一半的In-GaAs/InP量子阱中电子的自旋弛豫时间是5ps,并且电子的自旋弛豫时间随电子束缚能的变化而变化,这说明在窄带隙材料InGaAs/InP中占主导地位的是EY弛豫机制.对比量子线材料和量子阱材料的自旋弛豫时间,T.Sogawa[6]等人发现低温(15~80K)下,在一维结构的材料中电子的自旋弛豫速率降低了.他们测量了GaAs/AlGaAs量子线材料中自旋极化的光致荧光的激子的光谱和它的自旋弛豫时间.发现在接近跃迁带边处自旋极化具有最大值,并且自旋极化随着激子声子能量的变化而变化.H.Gotoh[7]等在室温下利用GaAs/AlGaAs 量子阱研究了电子-空穴相互作用对电子自旋弛豫时间的影响.发现电子的自旋弛豫时间随电子和空穴的间距的变化而变化,可以通过调整施加在量子阱上的电场来改变电子和空穴的间距.随着电子和空穴间距的增加,电子的自旋弛豫时间也随之延长.在室温下量子阱中电子的自旋弛豫主要是由DP效应引起的,并且DP机制认为电子的自旋弛豫是由于电子动量的随机化导致的,且只有电子散射跟自旋弛豫有关,因此,DP机制认为电子的自旋弛豫不会受到周围空穴的影响. BAP机制认为自由电子和空穴的自旋弛豫时间跟交换能的平方成反比,而交换能是跟电子和空穴波函数的重叠积分成正比.显然电子和空穴间距减少导致交换能的增加从而导致电子的自旋弛豫时间缩减.总之,由于半导体材料中对自旋弛豫产生影响的因素很多,这就使得半导体中自旋弛豫过程比较复杂,还有很多工作要做.因此,自旋电子学的发展还面临着许多挑战.参考文献[1]L.M un oz, E.Perez and L.Vina,Spin relaxation in in trin sic GaAs quantum w ells:influence of excitonic localization[J].Phys.Rev.B,1995,51(7):4247-4257.[2] A.T ackeu chi,T.Kuroda,et al.E lecton spin-relaxation dynamics in GaAs/AlGaAs quantum wells and InGaAs/In P qu antumw ells[J].J pn.J.Appl.Phy s.,1999,38:4680-4687.[3]R.S.Britton,T.Grevatt, A.M alinow sk i et al.Room temperatu re spin relax ation in GaAs/AlGaAs multiple quan tum w ells[J].Appl.Phys.Lett.,1998,73:2140-2142.[4]Pil Hu n S ong,K.W.Kim.S pin relaxation of con ductrion electrons in bulk III-V semiconductors[J].Ph ys.Rev.B,2002,66.[5]A.T ackeuchi,T.Kuroda.Electon s pin-relax ation dyn amics in GaAs/AlGaAs quantum w ells and InGaA s/InP quan tu m w ells[J].Jpn.J.Appl.Phys.,1999,38:4680-4687.[6]T.Sogaw a,H.An do,S.Ando and H.Kanbe,Spin-polarization s pectros copy in r ectangular GaAs quantum w ires[J].Phys.Rev.B,1998,58:15652-15659.[7]H.Gotoh,H.Ando,T.Sogaw a,et al.Effect of electron-h ole interaction on electron s pin relaxation in GaAs/AlGaAs qu antumw ells at room temperature[J].J.Appl.Phys.,2000,87:3394-3398.编辑:琳莉20。
电子自旋共振【实验原理】1. 电子的轨道磁矩和自旋磁矩电子的轨道磁矩为2l le e P m μ=-l P 为电子轨道运动的角动量,e 为电子电荷,e m 为电子质量。
轨道角动量和轨道磁矩分别为l l P μ== 电子的自旋磁矩s s e e P m μ=-s P 为电子自旋运动的角动量,e 为电子电荷,e m 为电子质量。
自旋角动量和自旋磁矩分别为s s P μ== 由公式可以看出电子自旋运动的磁矩与动量之间的比值是轨道轨道磁矩与角动量之间比值的2倍。
对于单电子的原子,总磁矩jμ与总角动量jP 之间有j j e e gP m μ=-其中()()()()111121j j l l s s g j j +-+++=++。
对单纯轨道运动g 为1,对于单纯自旋运动g 为2。
引入旋磁比γ,即有j j eP e gm μγγ==-在外磁场中jP 和jμ都是量子化的,因此jP 在外磁场方向上投影为()(),1,,1,2π==----z mhP m j j j j相应的磁矩jμ在外磁场方向上的投影为()(),1,,1,2γμπ==----z mhm j j j j由以上公式可得4z Bemgehmg m μμπ=-=-4B e ehm μπ=为玻尔磁子2. 电子自旋共振(电子顺磁共振) 由于原子总磁矩jμ的空间取向是量子化的,因此原子处在外磁场B 中时,磁矩与外磁场的相互作用也是量子化的,为2j B mhBE B mg B γμμπ=-=-=- 相邻磁能级之间的能量差为2hB E γπ∆=当向能量差为20hB E γπ∆=的原子发射能量为20hB h γνπ=光子时,原子将这个光子跃迁到高磁能级,这是发生在原子中的共振吸收跃迁现象,磁能级分裂是由电子自旋提供的就是“电子自旋共振”。
因此,电子自旋共振条件是光子的圆频率满足B ωγ=3. 电子自旋共振研究的对象如果分子中的原子所有的电子轨道都已成对填满了电子,自旋磁矩为0,没有固有磁矩,不会发生电子自旋共振。
实验7-2 电子自旋共振泡利(Pauli )1924年提出核磁矩和核自旋的概念,解释了光谱的超精细结构。
1925年,乌仑贝克(Uhlenbeck )和哥德斯密特(Goudsmit )提出了电子自旋的概念,解释了光谱的精细结构。
在这些理论的基础上,从1954年开始,逐步形成了一种新的测量技术,即电子自旋共振(Electron Spin Resonance ,ESP )。
电子自旋共振有时也称电子顺磁共振(Electron Paramagnetic Resonance ,EPR )电子自旋共振研究的对象是具有未偶电子的物质。
通过对共振谱线的研究,可以得到未偶电子的状态及其周围环境方面的信息,从而得到有关物质结构和化学性质的知识,因此,电子自旋共振技术在物理、化学、生物、医药等各个领域获得了广泛的应用。
与核磁共振相比,电子自旋共振在技术上更容易实现,目前,在微波段、射频段都有比较成熟的仪器。
电子自旋共振的实现,在很多方面与核磁共振相似,因此,在本实验的介绍中将不再涉及较基础的细节问题,而相关的内容请参阅核磁共振实验。
【实验目的】1、了解电子自旋共振理论。
2、掌握电子自旋共振的实验方法。
3、测定DPPH 自由基中电子的g 因子和共振线宽。
【实验原理】原子中的电子在沿轨道运动的同时具有自旋,其自旋角动量为 () 1+=S S p S (7-2-1)其中S 是电子自旋量子数,2/1=S 。
电子的自旋角动量S p 与自旋磁矩S μ间的关系为 ()⎪⎩⎪⎨⎧+=-=12S S g p m e g B SS e S μμμ (7-2-2) 其中:e m 为电子质量;eB m e 2 =μ,称为玻尔磁子;g 为电子的朗德因子,具体表示为 )1(2)1()1()1(1++++-++=J J S S L L J J g (7-2-3) J 和L 为原子的总角动量量子数和轨道角动量量子数,S L J ±=。
对于单电子原子,原子的角动量和磁矩由单个电子决定;对于多电子原子,原子的角动量和磁矩由价电子决定。
物理学中的电子自旋共振技术电子自旋共振技术是一种重要的物理分析技术,广泛应用于材料科学、生命科学、临床医学等领域。
它主要利用样品中的电子自旋与外加磁场作用,探测样品的物理性质或者化学结构。
下面我们将详细介绍电子自旋共振技术的原理、应用和发展趋势。
一、电子自旋共振技术的原理电子自旋共振技术原理是基于电子的本征角动量——自旋而设计的。
自旋是电子的重要量子数,描述了其围绕自身轴线的旋转运动。
在一个外加磁场的作用下,由于安排引起电子自旋围绕磁场方向旋转,此时能量差可以通过微波激发来触发电子从低能级跃迁到高能级,这就是典型的电子自旋共振过程。
根据电子自旋共振技术的原理,我们可以利用磁场和合适的微波激发电子自旋,通过探测不同的信号响应来分析物质的物理化学性质。
例如,通过改变外加磁场的大小、方向或调整微波激发的频率和强度,可以获取样品的各种电子自旋共振信号等。
二、电子自旋共振技术的应用电子自旋共振技术是一种非常重要的物理分析技术,它可以用于材料科学、生命科学、临床医学等领域。
以下是该技术在各个领域的应用举例:1.材料科学电子自旋共振技术可以用于材料科学中的薄膜制备及磁性材料的研究。
如在薄膜制备过程中可以通过电子自旋共振技术来检测薄膜结构的磁性行为。
而在磁性材料方面,电子自旋共振技术可以被用于测量磁性材料中的自旋动力学参数等。
2.生命科学电子自旋共振技术还可以运用在生物体系中,如用于蛋白质的研究。
因为电子自旋可以通过脊髓体系转移而得到活性的吸波信号,这种信号也被称为电子自旋共振信号。
利用电子自旋共振信号,研究人员可以探测和分析蛋白质的化学结构、构象和活性化学行为等。
3.临床医学在临床医学中同样可以应用电子自旋共振技术,这种技术可以利用自旋共振信号来检测生物样品的变化。
例如,该技术可以应用于检测人体组织或细胞中的氧、纯度、淀粉蛋白和糖等物质,还可以通过电子自旋共振技术检测肿瘤等疾病的组织变化。
三、电子自旋共振技术的发展趋势电子自旋共振技术在各个领域都有广泛应用,但是它仍然面临着很多挑战。
电子自旋的研究报告摘要:本研究报告旨在探讨电子自旋的基本概念、研究方法以及其在物理学和材料科学领域的应用。
通过对电子自旋的理论模型和实验观测的综合分析,我们得出了一些重要结论,并对未来的研究方向提出了建议。
1. 引言电子自旋是描述电子独特属性的一个重要概念,它与电子的轨道运动相对独立。
自旋可以理解为电子围绕自身轴心旋转的运动,它具有两个可能的取向:上自旋和下自旋。
电子自旋的研究对于理解原子、分子和固体材料的性质具有重要意义。
2. 电子自旋的理论模型电子自旋最早由Pauli在1925年引入,他提出了著名的Pauli不相容原理,即同一量子态下的电子自旋不能完全相同。
根据量子力学的描述,电子自旋可以用自旋角动量算符来表示,其取值为±1/2。
电子自旋的量子态由自旋向上和自旋向下的线性组合构成。
3. 电子自旋的实验观测电子自旋的实验观测主要通过磁共振技术实现。
核磁共振(NMR)和电子顺磁共振(EPR)是常用的实验方法,它们通过测量样品在外加磁场下的共振吸收信号来确定电子自旋的性质和行为。
此外,基于自旋电子学的研究也为电子自旋的观测提供了新的途径。
4. 电子自旋的应用电子自旋在物理学和材料科学领域有着广泛的应用。
在量子计算中,电子自旋被用作量子比特的信息载体,其离散的取值使得量子计算具备了高度的稳定性和可控性。
此外,电子自旋还被应用于磁性材料的研究,如磁存储材料和磁传感器。
5. 电子自旋的未来研究方向尽管电子自旋的研究已取得了重要进展,但仍存在许多待解决的问题和挑战。
未来的研究可以从以下几个方面展开:深入理解电子自旋与其他自由度(如轨道、自旋轨道耦合)的相互作用;开发新的实验技术和材料系统,以实现对电子自旋的更精确控制和测量;探索电子自旋在量子信息处理和量子材料中的更广泛应用等。
结论:电子自旋是一个重要的物理学概念,其研究对于理解物质的性质和开发新的应用具有重要意义。
通过深入理解电子自旋的理论模型和实验观测,我们可以进一步拓展其在量子计算和磁性材料等领域的应用。
电子输运与自旋输运的理论研究电子输运与自旋输运是当前材料科学与纳米电子学领域的研究热点,对于理解材料电子输运性质与开发新型电子器件具有重要意义。
本文将从理论研究的角度探讨电子输运与自旋输运的关键问题,并介绍相关理论模型和计算方法。
一、电子输运理论研究电子输运是指电子在材料中的运动与传输过程。
其研究主要包括材料的电导率、电子迁移率以及电子与晶格的相互作用等方面。
1.1 晶格畸变对电子输运的影响材料中存在的晶格畸变对电子输运具有重要的影响。
晶格畸变会改变材料的带隙结构,影响电子的散射行为和能带迁移。
通过密度泛函理论计算,可以得到晶格畸变对材料电导率的影响程度,进而优化材料结构,提高电子输运性能。
1.2 电子-电子相互作用对输运行为的影响电子-电子相互作用是电子输运中一个重要的因素。
在强电子关联体系中,电子之间的相互作用会导致电子的局域化行为,影响电导率。
量子蒙特卡洛方法和自洽格林函数等的理论模型被应用于电子输运行为的研究,通过计算得到电子关联效应对输运性质的贡献。
二、自旋输运理论研究自旋输运是指自旋电子在材料中的传输行为。
其研究旨在实现自旋信息的传输和操控,为自旋电子器件的开发提供理论基础。
2.1 自旋输运的基本模型自旋输运的基本模型可以用自旋扩散、自旋霍尔效应等理论描述。
在自旋扩散模型中,自旋电子通过弛豫时间与周围自旋热化,并且按照一定规律扩散传输。
自旋霍尔效应则是在磁场存在下,自旋极化电流引起的自旋和电荷的分离现象。
2.2 磁性材料中的自旋输运磁性材料中的自旋输运涉及到自旋的操控和自旋磁矩与电子输运的相互作用。
自旋换向和自旋传输长度等参数是研究的重点。
蒙特卡洛模拟、自洽格林函数方法等被广泛应用于自旋输运行为的建模与计算。
三、理论研究方法与计算模拟理论研究电子输运与自旋输运的方法包括从头计算、格林函数法、多体量子力学方法、非平衡格林函数方法等。
3.1 从头计算方法从头计算方法可以根据材料的晶格结构和电子-电子相互作用等参数,通过量子力学的基本原理,精确计算材料的输运性质。
电子自旋共振技术的应用研究电子自旋共振技术是一种用于研究材料中电子结构的高精度技术,近年来在材料科学领域中被广泛应用。
本文将介绍电子自旋共振技术的基本原理及其应用研究。
一、电子自旋共振基本原理在物理学领域中,自旋是用来描述电子自身旋转的物理量。
自旋可以用角动量量子数s来表示,常见的有s=1/2、s=1等。
当电子在一定的外场作用下,其自旋将会发生共振,这就是电子自旋共振现象。
电子自旋共振实验中,需要将样品置于磁场中,将电子自旋磁矩与外磁场耦合,利用微波的辐射将电子自旋从基态激发到激发态,测量样品在不同磁场强度下的共振信号,进而得到样品中电子自旋的信息。
这种技术可以用来研究材料的电子结构以及局域电子态等信息。
二、电子自旋共振的应用研究1. 材料物理学研究电子自旋共振技术在材料物理学研究中被广泛应用,可以用来研究材料中的自由基、缺陷、氧化物、磁性材料等。
例如,研究晶体管中的氧空位缺陷可以利用电子自旋共振技术来确定其位置、数量及类型;分析材料的电子结构和能带结构时,可以通过探究其电子自旋共振谱来获取局域电子态信息,进而研究材料内部的电子结构。
2. 生命科学研究电子自旋共振技术在生命科学研究中也有较为广泛的应用,可以用来研究生物分子的结构、作用原理等。
例如,利用电子自旋共振技术可以研究蛋白质的结构变化、疾病诱导的构象变化等;可以分析药物与受体结合时的分子级动态过程。
3. 环境科学研究电子自旋共振技术对于环境科学研究也有很大的应用,可以用来研究环境中的自由基、磁性物质等。
例如,可以通过电子自旋共振技术研究大气中自由基的分布、来源和化学反应过程;还可以用来研究土壤中磁性粒子的来源、大小和组成等。
4. 化学研究电子自旋共振技术在化学研究领域中的应用主要集中在分析化学和有机化学等。
例如,可以利用电子自旋共振技术来分析各式各样的化合物的性质、组成和有机金属反应机理等问题;可以研究分子之间的相互作用以及反应原理。
结语作为一种研究材料中电子结构的高精度技术,电子自旋共振技术在材料科学、生命科学、环境科学和化学等领域中都有广泛应用。
电子自旋共振摘要:本实验通过对射频段电子自旋共振方法的使用,测量出DPPH 样品的朗德因子以及得出磁场与励磁电源电压的关系。
使我们对共振跃迁现象有了更为深刻的理解。
关键词:ESR 朗德因子波导波长半高宽1、引言电子自旋共振(ESR)研究电子自旋磁矩与磁场相互作用。
从“塞曼效应”实验已经了解到,根据量子力学原理电子自旋磁矩在外磁场中使原子能级消除简并,即分裂为若干塞曼能级,故电子自旋共振是研究光子在这些塞满能级之间的直接跃迁。
这种共振跃迁现象只能发生在原子的固有磁矩不为零的顺磁性材料中,从而也称为电子顺磁共振。
2、实验原理原子的磁性来源于原子磁矩,由于原子核的磁矩很小,可以略去不计,所以原子的总磁矩由原子中各电子的轨道磁矩和自旋磁矩所决定。
在本单元的基础知识中已经谈到,原子的总磁矩μJ与PJ总角动量之间满足如下关系:式中μB为玻尔磁子,h为约化普朗克常量,由上式得知,回磁比按照量子理论,电子的L-S耦合结果,朗德因子由此可见,若原子的磁矩完全由电子自旋磁矩贡献(L=0,J=S),则g=2。
反之,若磁矩完全由电子的轨道磁矩所贡献(S=0,J=L),则g=1。
若自旋和轨道磁矩两者都有贡献,则g的值介乎1与2之间。
因此,精确测定g的数值便可判断电子运动的影响,从而有助于了解原子的结构。
将原子磁矩不为零的顺磁物质置于外磁场B0中,那么,相邻磁能级之间的能量差△E=γhB0如果垂直于外磁场B0的方向上施加一幅值很小的交变磁场2 B1cosωt,当交变磁场的角频率ω满足共振条件hω=△E=γhB0 时,则原子在相邻磁能级之间发生共振跃迁。
这种现象称为电子自旋共振,又叫顺磁共振。
在顺磁物质中,由于电子受到原子外部电荷的作用,使电子轨道平面发生旋进,电子的轨道角动量量子数L的平均值为0,当作一级近似时,可以认为电子轨道角动量近似为零,因此顺磁物质中的磁矩主要是电子自旋磁矩的贡献。
由上述式子可解出g因子:g=hf0/μBB0(式中f0为共振频率,h为普朗克常数)本实验的样品为DPPH(Di-Phehcryl Picryl Hydrazal),化学名称是二苯基苦酸基联氨,其分子结构式为(C6H5)2N-NC6H2·(NO2)2,如下图所示。
电化学弛豫现象-概述说明以及解释1.引言1.1 概述电化学弛豫现象是指在外加电场作用下,电子、离子或分子在材料内部发生的一种非平衡态运动过程。
这一现象在材料科学领域具有重要意义,它不仅能够揭示材料内部结构和性质的变化,还可为材料设计和应用提供理论基础和指导。
本文旨在深入探讨电化学弛豫现象的定义、基本原理、在材料科学中的应用,以及影响因素和调控方法,以期为读者呈现一个全面的视角。
1.2 文章结构本文将分为引言、正文和结论三个部分来探讨电化学弛豫现象。
在引言部分中,我们将概述电化学弛豫现象的基本概念和重要性,介绍文章的结构和目的。
接着,在正文部分,我们将深入探讨电化学弛豫现象的定义和基本原理,以及其在材料科学领域中的应用。
同时,我们将讨论影响电化学弛豫现象的因素以及调控方法。
最后,在结论部分,我们将总结电化学弛豫现象的重要性,展望未来其可能的发展方向,并给出我们的结论和观点。
通过这样的结构,我们希望读者能够全面了解电化学弛豫现象,并对其未来发展有更深入的思考和期待。
1.3 目的本文的主要目的是探讨电化学弛豫现象在材料科学中的重要性和应用。
通过深入分析电化学弛豫现象的定义、基本原理以及影响因素和调控方法,我们可以更好地理解材料在电化学环境下的行为和性能。
同时,通过对电化学弛豫现象的研究,我们可以为材料设计和制备提供新的思路和方法,从而推动材料科学领域的进步和发展。
希望本文能够为读者提供关于电化学弛豫现象的全面了解,并启发更多的研究和应用。
2.正文2.1 电化学弛豫现象的定义和基本原理电化学弛豫现象是指在电化学过程中,当外加电场或电流作用于电解质中的离子时,离子会在电场力的作用下发生移动,并在外加电场去除后会在一定时间内保持在一定位置,直至重新达到平衡状态的过程。
这种现象的发生是由于离子在电场力的作用下产生了迁移运动,但其速度受到介质内的摩擦力的影响,因此在去除电场后需要一定时间才能重新达到平衡状态。
电化学弛豫现象的基本原理是根据离子在电场力和摩擦力的作用下发生的迁移运动以及在去除电场后重新达到平衡状态的过程。
电子自旋共振学号:09XXXXX 姓名:xxx 班别:xxx合作人:xxx 实验日期:xxx 自我评价:优一、实验目的1、了解电子自旋共振理论。
2、掌握电子自旋共振的实验方法。
3、测定 DPPH 自由基中电子的 g 因子和共振线宽。
二、实验原理原子的磁性来源于原子磁矩,由于原子核的磁矩很小,可以略去不计,所以原子的总磁矩由原子中各电子的轨道磁矩和自旋磁矩所决定。
在本单元的基础知识中已经谈到,原子的总磁矩μJ与P J总角动量之间满足如下关系:式中μB为玻尔磁子,h为约化普朗克常量,由上式得知,回磁比(1)按照量子理论,电子的L-S耦合结果,朗德因子(2)由此可见,若原子的磁矩完全由电子自旋磁矩贡献(L=0,J=S),则g=2。
反之,若磁矩完全由电子的轨道磁矩所贡献(S=0,J=L),则g=1。
若自旋和轨道磁矩两者都有贡献,则g的值介乎1与2之间。
因此,精确测定g的数值便可判断电子运动的影响,从而有助于了解原子的结构。
将原子磁矩不为零的顺磁物质置于外磁场B0中,则原子磁矩与外磁场相互作用能由式(9.0.10)决定,那么,相邻磁能级之间的能量差△E=γhB0(3)如果垂直于外磁场B0的方向上施加一幅值很小的交变磁场2 B1cosωt,当交变磁场的角频率ω满足共振条件hω=△E=γhB0(4)时,则原子在相邻磁能级之间发生共振跃迁。
这种现象称为电子自旋共振,又叫顺磁共振。
在顺磁物质中,由于电子受到原子外部电荷的作用,使电子轨道平面发生旋进,电子的轨道角动量量子数L的平均值为0,当作一级近似时,可以认为电子轨道角动量近似为零,因此顺磁物质中的磁矩主要是电子自旋磁矩的贡献。
由(1)和(4)两式可解出g因子:g=hf0/μB B0(式中f0为共振频率,h为普朗克常数)本实验的样品为DPPH(Di-Phehcryl Picryl式为(C6H5)2N-NC6H2·(NO2)2,如图9.3.1所示。
它的第二个氮原子上存在一个未成对的电子,构成有机自由基,实验观测的就是这灰电子的磁共振现象。
电子自旋共振的原理及其应用电子自旋共振(ESR)是一种重要的物理学研究技术,可应用于磁性材料、电子结构分析、化学反应、生物医学等领域。
在本文中,我们将详细介绍电子自旋共振的原理及其应用,以期为您带来更加深入的了解。
1. 电子自旋共振的原理1.1 自旋概念在介绍电子自旋共振的原理之前,我们先来了解一下“自旋”的概念。
自旋是指微观粒子的固有角动量,类似于物体的自转。
电子、质子、中子等都具有自旋角动量。
然而,与物体的自转不同的是,自旋是量子力学中的概念,即微观粒子只有两个基本自旋状态:上自旋(spin up)和下自旋(spin down)。
1.2 电子自旋共振的基础电子自旋共振是一种成像技术。
在这种技术中,样品首先被放入一个静磁场中,此后一个高频电磁波将被辐射在样品上。
这个电磁波的频率将由样品中电子的自旋状态的差异而变化。
如果这些电子处于两种可能的自旋状态之间的过渡状态中,辐射将吸收并转化为旋转状态。
检测这一过程就是通过探测吸收射线的强度,并由此计算出电子自旋共振的特性。
1.3 电子自旋共振的测量测量ECE的方法是通过台式电子自旋共振仪。
静磁场由一个永久磁铁提供,而高频电磁波由一个投射装置提供。
通过不断改变磁场的方向并记录吸收射线的强度变化,我们获得了以强度为纵轴、磁场强度为横轴的电子自旋共振谱。
从这个谱中可以识别复合物分子中有关电子场样品的结构和组成。
2. 电子自旋共振的应用2.1 化学分析电子自旋共振可应用于化学分析。
通过对各种分子、离子、原子、掺杂材料等形成的自由基进行电子自旋共振研究,可以了解材料的结构、电子参数、电子互动等。
同时,由于电子自旋共振可以对样品进行无损测量,因此其应用范围非常广泛。
2.2 医学影像电子自旋共振还可应用于医学影像。
MRI技术即是基于电子自旋共振的,它通过利用静磁场和高频电磁波对人体内的氢原子进行激发和检测,来获得人体器官的像像。
因此,摄影师可通过MRI技术来观察人体内部情况,以便进行准确诊断和治疗。
自选晶格弛豫与自旋自旋弛豫概述说明以及解释1. 引言1.1 概述自选晶格弛豫与自旋自旋弛豫是固体物理中重要的研究课题,涉及到材料中晶胞和电子自旋的相互作用过程。
晶格弛豫指的是固体中晶格结构发生变化时材料内原子相对位置的调整过程,而自旋自旋弛豫描述了材料中电子自旋状态间的转变过程。
这两种弛豫现象在材料性质、器件设计和储存技术等方面具有重要应用价值。
1.2 文章结构本文主要分为五个部分,分别为引言、自选晶格弛豫、自旋自旋弛豫、晶格弛豫与自旋自旋弛豫的联系和区别以及结论与展望。
1.3 目的本文的目的是全面概述和解释自选晶格弛豫与自旋自旋弛豫的原理和应用,并探讨它们之间的联系和区别。
通过对已有研究成果进行总结,并提出未来研究方向和可能存在的问题或挑战,以期为相关领域研究者提供参考和启示。
(以上为“1. 引言”部分的内容)2. 自选晶格弛豫:2.1 定义和原理:自选晶格弛豫是指晶体在受到外界扰动时,晶体内部原子会重新调整位置以达到平衡态的过程。
这种调整通常发生在局部尺度上,即仅涉及少量原子之间的相互作用。
自选晶格弛豫的原理基于原子与它们周围邻近的原子之间的力学相互作用。
当外界扰动施加在晶体上时,例如温度改变或应力加载,这些力会影响晶格中原子之间的距离和角度。
为了达到新的平衡位置,原子会通过移动来重新分布其位置以减小能量。
2.2 影响因素:自选晶格弛豫受多种因素影响。
其中一些影响因素包括:- 温度:温度升高导致原子热运动增大,增加了自选晶格弛豫的速率。
- 晶体缺陷:缺陷(如点缺陷、位错等)存在时,会引起额外的应力并影响自选晶格弛豫。
- 化学成分:不同元素之间的相互作用和需要达到平衡的能量差异也会影响自选晶格弛豫。
- 外部应力:外界的应力加载(例如压力或张力)会改变晶体中原子之间的相互作用,进而影响自选晶格弛豫。
2.3 应用和意义:自选晶格弛豫是材料科学和固体物理领域的重要研究内容。
它对于理解材料性质、设计新型材料以及改善现有材料的性能具有重要意义。
电⼦⾃旋共振电⼦⾃旋共振引⾔电⼦⾃旋共振(简称ESR)是1944年由前苏联的扎伏伊斯基(N.K.завоискии)⾸先观察到的。
它是探索物质中未偶合电⼦以及它们与周围环境相互作⽤的⾮常重要的⽅法,有很⾼的灵敏度和分辨率,测量时不破坏样品的结构,因此,已⼴泛应⽤于物理、化学、⽣物、医学和⽣命科学等领域。
实验⽬的1.学习观测微波波段电⼦⾃旋共振信号的⽅法。
2.测量CuSO4·5H2O单晶电⼦的g因⼦和共振线宽。
实验原理电⼦⾃旋共振研究的对象是具有未偶电⼦(或称未成对电⼦)的物质,如具有奇数个电⼦的原⼦和分⼦,内电⼦壳层未被填满的离⼦,受辐射或化学反应⽣成的⾃由基以及固体缺陷中的⾊⼼等等。
通过对这些物质的⾃旋共振谱的研究,可以了解有关原⼦、分⼦及离⼦中未偶电⼦的状态及周围环境⽅⾯的信息,从⽽获得有关物质结构的知识。
例如对固体⾊⼼的⾃旋共振的研究,从谱线的形状、线宽及g因⼦,可以估算出缺陷的密度,了解缺陷的种类,缺陷上电⼦与电⼦的相互作⽤,电⼦与晶格相互作⽤的性质等等。
⾃旋为S的电⼦,其对应的磁矩为:(11.3-1)式中S为以h为单位的⾃旋⾓动量,g为朗德因⼦。
在外磁场B中,由于与B的相互作⽤⽽产⽣能级分裂。
对于电⼦,S=1/2,能级分裂为⼆,如图11.3-1所⽰。
相邻两能级的间隔为:(11.3-2)根据磁共振原理,如果在与B相垂直的平⾯内,施加⼀个频率为υ的交变磁场B1,当满⾜条件(11.3-3)时,电⼦就会吸收B1的能量,从低能级跃迁到⾼能级。
这就是电⼦⾃旋共振现象,⼜称顺磁共振。
由式(11.3-3)可知,满⾜共振条件有两种办法:①固定υ,改变B,这种⽅法称为扫场法;②固定B,改变υ,这种⽅法称为扫频法,由于技术上的原因,⼤多采⽤扫场法。
共振吸收的另⼀个必要条件是在平衡态下,低能态E1的粒⼦数N1⽐⾼能态E2的粒⼦数N2多,这样才能显⽰出宏观(总体)共振吸收,因为热平衡时粒⼦数分布服从玻⽿兹曼分布(11.3-4)由(11.3-4)可知,因E2>E1,显然有N1>N2,即吸收跃迁(E1→E2)占优势,然⽽随时间推移及E2→E1过程的充分进⾏,势必使N2与N1之差趋于减少,甚⾄可能反转,于是吸收效应会减少甚⾄停⽌,但实际并⾮如此,因为包含⼤量原⼦或离⼦的顺磁体系中,⾃旋磁矩之间随时都在相互作⽤⽽交换能量(⾃旋-⾃旋作⽤),同时⾃旋磁矩⼜与其周围的其他质点(晶格)相互作⽤⽽交换能量(⾃旋-晶格作⽤),这使处在⾼能态的电⼦⾃旋有机会把它的能量传递出去⽽回到低能态,这个过程称为弛豫过程,正是弛豫作⽤的存在,才能维持着连续不断的磁共振吸收效应。
电子自旋共振实验报告电子自旋共振(ESR)是一种通过电子自旋与外加磁场相互作用而产生的共振现象。
本实验旨在通过实验方法验证电子自旋共振现象,并测定其相关参数。
实验仪器与原理。
本实验采用的是X波段电子自旋共振仪,其原理是利用微波磁场与电子自旋的相互作用,使电子自旋能级发生跃迁,从而产生共振信号。
实验仪器主要由微波源、磁场控制系统、探测器和数据采集系统组成。
实验步骤。
1. 调节磁场,首先,通过磁场控制系统调节磁场强度,使其符合实验要求。
2. 调节微波频率,接下来,调节微波源的频率,使其与电子自旋的共振频率相匹配。
3. 探测共振信号,将样品放置在探测器中,观察并记录共振信号的强度和频率。
4. 数据采集,利用数据采集系统对共振信号进行采集和处理,得到相关参数。
实验结果。
通过实验测得样品的电子自旋共振信号,得到了共振频率和共振线宽等参数。
通过进一步处理数据,得到了样品的g因子和电子自旋弛豫时间等参数。
实验分析。
根据实验结果,我们可以得出样品的电子自旋共振特征参数,进而对样品的结构和性质进行分析。
通过对比不同样品的实验结果,可以进一步研究样品的特性和应用。
实验结论。
本实验成功验证了电子自旋共振现象,并得到了样品的相关参数。
这些参数对于研究样品的结构和性质具有重要意义,也为样品的应用提供了重要参考。
总结。
通过本次实验,我们深入了解了电子自旋共振的原理和实验方法,掌握了相应的实验技能。
同时,实验结果也为我们提供了宝贵的数据和信息,为后续的研究工作奠定了基础。
在今后的研究中,我们将进一步深入探讨电子自旋共振的机理和应用,不断完善实验方法,提高实验技术水平,为科学研究和技术应用做出更大的贡献。
以上就是本次电子自旋共振实验的报告内容,谢谢阅读!。
收稿日期:2007-07-15电子自旋弛豫机理研究吴 羽(广州大学实验中心,广东广州510006)摘 要:确定电子自旋稳定性的最重要的性质是自旋弛豫时间,文中介绍了DP、EY、BAP等三种重要的自旋弛豫机制以及它们的实验进展,为室温下可以使用的自旋电子器件设计提供了重要依据.关键词:自旋弛豫;电子;空穴;自旋电子器件[中图分类法]T N14 [文献标识码]A [文章编号]1003-6180(2007)04-0019-0220世纪后半期,基于半导体硅的电子产业取得了突飞猛进的发展和极为广泛的应用.然而,科学家发现,当半导体组件减小到纳米尺度后,许多宏观特性丧失,使得基于电子的粒子性设计的传统微电子器件不能再有效工作,而此时电子自旋的作用突显出来.人们正设法利用电子的自旋自由度来设计量子器件.半导体自旋电子学希望利用半导体中的电子和空穴的自旋自由度来实现自旋电子器件和传统电子器件的集成制造.已经证明,高的自旋极化注入效率、长的自旋弛豫时间、自旋输运、控制和自旋检测,使半导体自旋电子器件可以执行新的功能.为了利用电子的自旋来储存和处理信息,要求电子自旋比较稳定,不容易受干扰.确定电子自旋稳定性的最重要的性质是其自旋弛豫时间.当自旋发生弛豫的时候,储存在自旋中的编码信息会丢失,因此,希望电子自旋的弛豫时间越长越好.这样,研究自旋弛豫,寻求各种办法来控制自旋弛豫,使得自旋能够保持足够长的记忆时间成为人们研究的热点.人们对半导体中的电子自旋弛豫已进行过许多研究,目前人们普遍认同三种弛豫机制,D yakonov-Perel(DP)机制、Elliott-Yafet(EY)机制和Bir-Aronov-Pikus(BAP)机制.1 DP机制DP机制是源于中心反演不对称系统的自旋-轨道相互作用,它使得导带的自旋分裂.这一分裂等效于存在一个与波矢相关的有效磁场,驱使自旋围绕它进动.而载流子与载流子、声子、杂质等的散射作用导致波矢的随机化,从而导致有效磁场的随机化,则总体的自旋极化就会随之衰减,即产生自旋极化弛豫.因此,电子自旋弛豫时间与动量弛豫时间成反比,称为 运动性减慢 .当散射事件发生的越频繁,这种 运动性减慢 作用越强,自旋弛豫时间越长.L.M unoz根据DP机制推出量子阱中电子的自旋弛豫时间[1]1s D P=2 2E12k B TE g 2p.(1)其中 = -3(E g)1/2(2m*)3/2,m*是有效质量, 是分裂系数,E le是量子阱中第一电子束缚态能量,E g是带隙能量.2 EY机制Elliott-Yafet机制是基于自旋-轨道耦合,使具有相反自旋量子数的波函数彼此耦合,具有确定自旋方向和不确定动量的自旋本征态不再存在.这样,动量散射过程能直接导致自旋的翻转散射.由于自旋轨道耦合相互作用,导带中电子的哈密顿量出现一个由自旋轨道耦合相互作用引入的相互作用能H EY=4m e2c2V(r)r L S.其中m e是电子的有效质量,V(r)为载流子的散射势,L、S分别表示轨道角动量和自旋角动量.Atsushi Tackeuchi等人在忽略了能量的依赖关系以后计算出量子阱中EY弛豫机制决定的自旋弛豫时间为[2]1sEY=89(E g+)2(1-m*m0)2E1e k B TE2g1p. (2)其中 为自旋分裂能量(对于GaAs, =0.34eV).DP机制和EY机制最大的区别在于它们对动量弛豫时间 p有相反的依赖关系.增强散射强度会使EY机制更有效,而DP机制的作用将减弱.事实上,在EY过程中碰撞散射会使自旋翻转,碰撞越剧烈,自旋翻转几率越大.而DP机制中碰撞通过波矢方向的变化来改变电子的有效磁场,从而间接改变自旋进动的方向.3 BAP机制在电子-空穴交换散射中发现,空穴动量散射较强,它引起电子的自旋翻转散射.即空穴自旋以有效磁场作用于电子自旋,使得电子进动,当空穴动量弛豫速率大于有效磁场的进动速率时,即当电子自旋还没有进动完一个周期前空穴动量就19改变,则交换散射作用使得电子自旋翻转,那么电子自旋弛豫又回到 运动性减慢 的DP模式.对空穴简并情况,自旋弛豫速率有如下形式[3]:1 s BAP=3V k k B TV B FN p a B3 (3)其中 0是如交换分裂参数,N p是空穴浓度.BAP机制主要在大量空穴存在时起主导作用,对n型半导体,由于大量电子的存在使得电子空穴快速复合,BAP作用就被阻碍了.4 实验研究由于自旋弛豫时间对物质参数有不同的依赖关系,人们往往通过自旋弛豫时间与维数、温度、掺杂浓度、阱宽等参数的关系来判断是哪种机制在自旋弛豫过程中起主导作用.早期关于自旋弛豫的工作集中在体材料上,Pil H un So ng和K. W.Kim[4]根据EY、DP、BAP机制以温度和掺杂浓度作为参量,理论上计算了n-型以及p-型GaAs、GaSb、InAs、InSb等体材料的导带电子自旋弛豫时间,并比较了各弛豫机制在不同条件下的作用.发现当上述四种材料为n-型掺杂,受主浓度为N A=5 1013cm-3,施主浓度N D在1014 ~1020cm-3之间变化时,DP机制主要作用于低温至高温,而在较低的温度下,EY机制占主导地位.当上述四种材料为p-型掺杂,施主浓度N D= 5 1013cm-3,受主浓度N A在1014~1020cm-3之间变化时,BAP机制主要作用于低温和高受主浓度下,DP机制主要作用于高温和低受主浓度下.半导体中的自旋弛豫,维数的变化对自旋弛豫影响很大.Tacheuchi等[5]利用利用瞬态饱和吸收技术测量了不同阱宽下无掺杂GaAs/AlGaAs多量子阱材料和InGaAs/InP多量子阱材料中电子的自旋弛豫时间.实验发现电子的自旋弛豫时间跟束缚能有关,并且有,这与根据DP机制推导出的理论关系式相近,因此得出室温下GaAs/AlGaAs多量子阱中电子自旋的主导弛豫机制是DP机制.实验还测得带隙是GaAs/AlGaAs量子阱的一半的In-GaAs/InP量子阱中电子的自旋弛豫时间是5ps,并且电子的自旋弛豫时间随电子束缚能的变化而变化,这说明在窄带隙材料InGaAs/InP中占主导地位的是EY弛豫机制.对比量子线材料和量子阱材料的自旋弛豫时间,T.Sogawa[6]等人发现低温(15~80K)下,在一维结构的材料中电子的自旋弛豫速率降低了.他们测量了GaAs/AlGaAs量子线材料中自旋极化的光致荧光的激子的光谱和它的自旋弛豫时间.发现在接近跃迁带边处自旋极化具有最大值,并且自旋极化随着激子声子能量的变化而变化.H.Gotoh[7]等在室温下利用GaAs/AlGaAs 量子阱研究了电子-空穴相互作用对电子自旋弛豫时间的影响.发现电子的自旋弛豫时间随电子和空穴的间距的变化而变化,可以通过调整施加在量子阱上的电场来改变电子和空穴的间距.随着电子和空穴间距的增加,电子的自旋弛豫时间也随之延长.在室温下量子阱中电子的自旋弛豫主要是由DP效应引起的,并且DP机制认为电子的自旋弛豫是由于电子动量的随机化导致的,且只有电子散射跟自旋弛豫有关,因此,DP机制认为电子的自旋弛豫不会受到周围空穴的影响. BAP机制认为自由电子和空穴的自旋弛豫时间跟交换能的平方成反比,而交换能是跟电子和空穴波函数的重叠积分成正比.显然电子和空穴间距减少导致交换能的增加从而导致电子的自旋弛豫时间缩减.总之,由于半导体材料中对自旋弛豫产生影响的因素很多,这就使得半导体中自旋弛豫过程比较复杂,还有很多工作要做.因此,自旋电子学的发展还面临着许多挑战.参考文献[1]L.M un oz, E.Perez and L.Vina,Spin relaxation in in trin sic GaAs quantum w ells:influence of excitonic localization[J].Phys.Rev.B,1995,51(7):4247-4257.[2] A.T ackeu chi,T.Kuroda,et al.E lecton spin-relaxation dynamics in GaAs/AlGaAs quantum wells and InGaAs/In P qu antumw ells[J].J pn.J.Appl.Phy s.,1999,38:4680-4687.[3]R.S.Britton,T.Grevatt, A.M alinow sk i et al.Room temperatu re spin relax ation in GaAs/AlGaAs multiple quan tum w ells[J].Appl.Phys.Lett.,1998,73:2140-2142.[4]Pil Hu n S ong,K.W.Kim.S pin relaxation of con ductrion electrons in bulk III-V semiconductors[J].Ph ys.Rev.B,2002,66.[5]A.T ackeuchi,T.Kuroda.Electon s pin-relax ation dyn amics in GaAs/AlGaAs quantum w ells and InGaA s/InP quan tu m w ells[J].Jpn.J.Appl.Phys.,1999,38:4680-4687.[6]T.Sogaw a,H.An do,S.Ando and H.Kanbe,Spin-polarization s pectros copy in r ectangular GaAs quantum w ires[J].Phys.Rev.B,1998,58:15652-15659.[7]H.Gotoh,H.Ando,T.Sogaw a,et al.Effect of electron-h ole interaction on electron s pin relaxation in GaAs/AlGaAs qu antumw ells at room temperature[J].J.Appl.Phys.,2000,87:3394-3398.编辑:琳莉20。