納米結(jié)構(gòu)中的電子輸運(yùn)研究.pdf

1、本論文運(yùn)用散射矩陣方法，從理論上研究了電子在二維電子氣納米結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的輸運(yùn)特性。 首先對(duì)于電子在二維電子氣中，通過楊氏雙縫干涉系統(tǒng)的干涉行為進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。研究結(jié)果表明，對(duì)于對(duì)稱楊氏干涉系統(tǒng)，當(dāng)只有最低的模通過時(shí)，所形成的干涉條紋遵循傳統(tǒng)的楊氏干涉實(shí)驗(yàn)的結(jié)果；當(dāng)有多個(gè)電子電子模態(tài)被允許通過雙縫系統(tǒng)時(shí)，電子流通過雙縫后產(chǎn)生的干涉條紋特性是由被允許通過的電子的最高的模態(tài)所決定的。為了能夠觀測(cè)到比較清晰的雙縫干涉條紋，前置的用于濾波的

2、單縫所起的作用是非常大的，它保證了透射通過雙縫的電子具有相同的初始態(tài)。 給出了研究電子的自旋相關(guān)輸運(yùn)的多模散射矩陣?yán)碚摲椒?。在理論公式中，所需的哈密頓量矩陣都用(同一套)導(dǎo)線中的橫向本征態(tài)和自旋本征態(tài)來展開。理論模型能夠準(zhǔn)確處理自旋相關(guān)的多模電子輸運(yùn)現(xiàn)象。所發(fā)展的散射矩陣?yán)碚摲椒ㄔ跀?shù)值上是穩(wěn)定的，適用于比較普遍的情形，比如系統(tǒng)具有復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)、勢(shì)場(chǎng)分布、自旋軌道耦合強(qiáng)度分布，等等。為了驗(yàn)證理論方法的優(yōu)勢(shì)，將散射矩陣?yán)碚撨\(yùn)用到兩

3、種結(jié)構(gòu)中：包含單個(gè)Rashba自旋軌道調(diào)制區(qū)的結(jié)構(gòu)和包含N個(gè)周期的Rasha自旋軌道耦合超晶格結(jié)構(gòu)。計(jì)算結(jié)果表明，自旋軌道耦合使得電子的自旋向上態(tài)和自旋向下態(tài)發(fā)生糾纏，從而使得電子通過自旋軌道調(diào)制區(qū)后自旋發(fā)生旋轉(zhuǎn)。對(duì)于包含單個(gè)Rashba自旋軌道調(diào)制區(qū)的結(jié)構(gòu)，當(dāng)自旋軌道耦合強(qiáng)度比較強(qiáng)的時(shí)候，電子的自旋相關(guān)電導(dǎo)和自旋極化率強(qiáng)烈依賴于費(fèi)米能級(jí)。特別當(dāng)費(fèi)米能級(jí)靠近子帶的邊緣時(shí)(子帶指標(biāo)n ≥ 2)，由自旋軌道耦合導(dǎo)致的子帶間相互作用對(duì)于電子的

4、自旋極化輸運(yùn)具有特別顯著的影響。對(duì)于給定的費(fèi)米能級(jí)，當(dāng)總電導(dǎo)位于量子平臺(tái)時(shí)，隨著自旋軌道耦合強(qiáng)度α或者自旋軌道調(diào)制區(qū)長(zhǎng)度L的增加，自旋相關(guān)電導(dǎo)表現(xiàn)出非常規(guī)則的振蕩。數(shù)值結(jié)果表明在制備自旋晶體管器件時(shí)，導(dǎo)體并不需要限定于單模區(qū)，多模的自旋晶體管調(diào)制也是有可能實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于包含N個(gè)周期單元的Rasha自旋軌道耦合超晶格結(jié)構(gòu)，電子表現(xiàn)出超晶格輸運(yùn)的基本行為。但是自旋相關(guān)電導(dǎo)和自旋極化率表現(xiàn)出的行為卻比較復(fù)雜，主要表現(xiàn)出快速振蕩和慢速振蕩兩種特征

5、。自旋相關(guān)電導(dǎo)的慢速振蕩發(fā)生在遠(yuǎn)離下一個(gè)子帶的地方：而快速振蕩則發(fā)生在距離下一個(gè)子帶比較近的地方(n≥2)。自旋相關(guān)電導(dǎo)的快速和慢速振蕩的特征在總電導(dǎo)中并沒有表現(xiàn)出來。由于自旋相關(guān)電導(dǎo)的復(fù)雜行為特性，自旋軌道耦合超晶格并不是一種好的自旋調(diào)制器件。 將散射矩陣?yán)碚摂U(kuò)展到具有自旋軌道耦合和局域磁場(chǎng)調(diào)制的電子輸運(yùn)，深入研究了電子在兩者作用下的自旋相關(guān)輸運(yùn)特性。首先考察了局域磁場(chǎng)的存在對(duì)由自旋軌道耦合作用所引起的子帶間的耦合帶來的影響。

6、當(dāng)磁場(chǎng)不存在時(shí)，穿越自旋軌道耦合區(qū)的電子電導(dǎo)在子帶起始處(子帶指標(biāo)>1)附近呈現(xiàn)出Fano反共振型的凹陷。而局域磁場(chǎng)的存在則消除了自旋軌道耦合作用引起的束縛態(tài)的自旋簡(jiǎn)并，使得在總電導(dǎo)譜上出現(xiàn)更多的凹陷。其次，針對(duì)同一體系研究了局域磁場(chǎng)如何影響自旋投影的幾率分布。對(duì)于一對(duì)劈裂的電導(dǎo)凹陷，它們的自旋投影幾率和局域自旋極化有著顯著的差別。更重要的是，在電導(dǎo)凹陷處，磁場(chǎng)不存在時(shí)可觀察到霍爾狀的自旋累積；加入局域磁場(chǎng)后則發(fā)現(xiàn)相反符號(hào)的自旋沿輸運(yùn)方

7、向發(fā)生空間分離。當(dāng)費(fèi)米能位于電導(dǎo)平臺(tái)時(shí)，不管磁場(chǎng)存在與否，都可能觀察到自旋極化的電子注入自旋軌道耦合區(qū)后發(fā)生橫向的搖擺，即zitierbewegung振蕩。在電導(dǎo)凹陷處，即使沒有磁場(chǎng)也觀察不到zitterbewegung現(xiàn)象。 研究如何通過改變鐵磁條的極化方向來實(shí)現(xiàn)鐵磁體/半導(dǎo)體復(fù)合結(jié)構(gòu)的自旋濾波，由鐵磁條所誘發(fā)的局域磁場(chǎng)的垂直和平行分量都被考慮在內(nèi)。通過施加一個(gè)較小的外部磁場(chǎng)，電子的自旋極化率可以通過改變鐵磁條中的極化方向來調(diào)