Abbildung 3.2:
Links: Ausschnitt der GaAs-Bandstruktur in der Nähe des
-Punktes. Rechts: Mögliche Anregungen aus den magnetischen
Subniveaus sowie deren Übergangswahrscheinlichkeiten in Abhängigkeit
von links- () und rechts- () zirkular-polarisiertem
Licht.
In der Abbildung 3.2 ist schematisch die Bandstruktur von GaAs am Punkt der Brillouinzone dargestellt. Rechts daneben sind die magnetischen Subniveaus und deren mögliche Anregungen vom Valenzband in das Leitungsband gezeigt. Das -Valenzbandniveau ist vom -Niveau durch die Spin-Bahn-Wechselwirkung um ca. abgespalten. Mit Licht der Wellenlänge () werden daher gezielt Elektronen aus den -Subniveaus in die -Niveaus angeregt. Ist das Licht zirkular polarisiert, erhält man durch die unterschiedlichen Übergangswahrscheinlichkeiten (siehe Abb. 3.2) eine theoretische Nettospinpolarisation von:
Hierbei ist bzw. die Anzahl der
Elektronen mit Spin parallel bzw. antiparallel zur Quantisierungsachse,
die durch den Pointingvektor der einfallenden Photonen gegeben ist.
Experimentell erhält man für p-dotiertes GaAs (Dotierung: Zn) eine Netto-Spinpolarisation der Elektronen von
ca. 30% [Don88]. Hauptursache für die Verluste sind
Austausch-Streuprozesse, denen die Photoelektronen unterliegen
[BAP76].
Für die Erzeugung des zirkular-polarisierten Lichtes von wird eine modenstabilisierte GaAlAs-Laserdiode in Verbindung mit einem Linearpolarisator und einer Pockelszelle verwendet. Die Pockelszelle ermöglicht ein schnelles Umschalten zwischen beiden Zirkularpolarisationsrichtungen. Die Spektren beider Spinrichtungen werden dadurch nahezu gleichzeitig gemessen und somit kann jeder Drifteinfluß auf die Spektren ausgeschlossen werden. Der Zirkularpolarisationsgrad der Pockelszelle liegt bei ca. 96%, da Oberflächennormale und c-Achse der Pockelszelle nicht exakt parallel sind.
Abbildung:
Quantenausbeute als Funktion der Zeit während einer
GaAs-Präparation. Der Elektronenemissionsstrom ist proportional zur
Quantenausbeute und zeigt durch das intervallweise Hinzugeben von
ein charakteristisches An- und Absteigen, wobei nach jedem Zyklus eine
höhere Quantenausbeute erreicht wird ( ,,Yo-Yo-Technik``).
Damit die angeregten Photoelektronen aus dem GaAs-Kristall austreten können, muß seine Austrittsarbeit () durch Cäsium-Adsorption gesenkt werden. Für diese Präparation wird der Kristall zunächst durch Erhitzen bis knapp unter dem Schmelzpunkt ca. 1 Stunde bei 923 K gereinigt. Noch während der Abkühlungsphase wird kontinuierlich Cäsium (Cs) aufgedampft. Nach dem Einsetzen des Emissionsstromes wird intervallweise Sauerstoff dosiert ( s. Abb. 3.3). Durch das Cäsium wird das Vakuumniveau unter das Leitungsbandminimum gesenkt. Der hinzugegebene Sauerstoff dient zur Stabilisierung des Cäsium's auf der Oberfläche. Nach vielen Präparationszyklen konnten Halbwertszeiten von bis zu 14 Stunden erreicht werden, so daß im normalen Betriebsmodus () mit einer Präparation an bis zu 5 Tagen Meßsungen möglich waren.
Vor dem Einbau des GaAs-Kristalls in die Präparationskammer wird der Kristall in wässeriger Ammoniaklösung gereinigt ( in 33% Amoniaklösung bei K) und anschließend mit Stickstoff getrocknet.