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本研究は、Fe3O4/MgO薄膜の界面修飾により半導体への高効率なスピン注入を実証し、高スピン偏極発光を実現することを目的とする。前年度に実施したスピン偏極発光ダイオード素子の円偏光発光特性の測定により、強磁性電極から半導体へのスピン注入のみならず、半導体輸送バリア層と光学活性層でのスピン緩和が素子のスピン偏極発光特性を悪化させていることがわかった。そこで、本年度は半導体中のスピン輸送と光学活性層におけるスピン緩和の研究にも取り組み、以下の成果を得た。
(1) 走査型トンネル顕微鏡(STM)を用いることで、MgO単結晶上に作製したFe3O4薄膜の表面第二層の電子状態が水素吸着により半導体的特性から金属特性に変化することを明らかにした。また、この変化が表面酸素原子を介した水素原子から表面第二層への電子移動現象によって説明できることを明らかにした。
(2) Fe3O4/MgO薄膜の界面をサブモノレイヤーカーボンで修飾することを目指し、カーボンフォイルと試料との距離によるFe3O4薄膜表面の吸着構造の違いを調べた。距離が30 mmの場合、吸着したカーボン量は1モノレイヤーと多く、構造はグラファイト化したカーボン膜であった。一方、距離が100 mmの場合、STM観察により吸着量がサブモノレイヤーであることがわかったが、吸着構造がカーボンクラスターに占められ、規則的なカーボン原子の吸着は見られなかった。
(3) 高密度InGaAs量子ドットにおいて、励起状態間の電子波動関数が結合し、少数個スピンがドット間を選択的に移動することで、励起状態での集団的なスピン緩和が抑制されることを見出した。また、半導体輸送バリア層でのスピン緩和を抑制するために、AlGaAs/GaAs超格子を用いた量子ドットへの量子スピン輸送を研究した。その結果、スピン緩和が抑制された量子ドットへのスピン輸送・注入を実証した。
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