Electron spin properties in semiconductor heterostructures

In the first part of the thesis, the electron spin properties of Ge-based semiconductor heterostructures are studied by means of Spin Polarized Photoemission and Spin Polarized Photo-Luminescence techniques. The in-plane compressive strain and confinement effect, which act on pure Ge grown on SiGe alloy, drastically modifies the band structure so that a very high electron spin polarization can be found in the conduction band of Ge layer, when electrons are excited with circularly-polarized light. This allows the direct detection of optically spino-riented electron population in the conduction band, which results higher than the bulk one. Furthermore it also possible to obtain an experimental determination of the orbital mixing between Light Hole (LH) and Split Off (SO) bands, away from the centre of Brillouin zone, by symmetry analysis based on spin polarization spectra. In the second part of this thesis, theoretical arguments related to spin transport and dynamics are studied. The common transport operator cannot be properly used, when dealing with Hamiltonian where Spin-Orbit Interaction terms are involved so that a novel definition of probability-current and spin-current operators is given, which satisfies the continuity equation for a general effective Hamiltonian of order n. A reformulation of the boundary conditions at the semiconductor heterostructure interfaces allows the correct determination of the envelope function for tunneling problems and these new findings are applied to the paradigmatic case of an interface, composed of a free-electron-like material and [110]-oriented GaAs barrier.

Nella prima parte della tesi, sono studiate le proprietà di spin degli elettroni nelle eterostrutture a semiconduttore basate sul Ge attraverso Fotoemissione risolta in spin e Fotoluminescenza risolta in spin. La deformazione compressiva e gli effetti di confinamento, che agiscono sul Ge puro cresciuto su una lega di SiGe, modificano drasticamente la struttura a bande del Ge così che è possible ottenere una alta polarizzazione di spin degli elettroni nella banda di conduzione del film sottile di Ge, posto che gli elettroni vengano eccitati con luce polarizzata circolarmente. Ciò permette la diretta detezione, in banda di conduzione, di una popolazione di elettroni otticamente orientata, che risulta essere più alta rispetto al caso del Ge di volume. Inoltre è anche possibile determinare sperimentalmente il grado di ibridazione orbitale tra le Lacune Leggere (LH) e Lacune di Split-Off (SO) al di fuori del centro della zona di Brillouin atttraverso l'analisi di simmetria degli spettri di polarizzazione. Nella seconda parte della tesi, si affrontano invece questioni teoriche relative al trasporto e alla dinamica di carica e di spin nei semiconduttori. I comuni operatori di trasporto non possono altresì essere propriamente utilizzati quando nell'Hamiltoniano del sistema sono presenti termini di interazione di Spin-Orbita. Di conseguenza, viene proposta una nuova definizione per gli operatori di corrente di probabilità e corrente di spin, che soddisfino l'equazione di continuità per un Hamiltoniano generico di ordine n. Inoltre una riformulazione delle condizioni al contorno all'interfaccia di eterostrutture, formate da semiconduttori, permette la corretta determinazione della funzione inviluppo, soluzione del corrispondente problema di tunneling. Questi risultati vengono poi applicati al caso paradigmatico di una interfaccia, in cui la barriera sia composta da GaAs [110].