准一维半导体纳米结构中量子输运性质的研究

论文摘要

介观体系中的量子输运性质的研究是当前凝聚态物理的重要前沿研究方向。特别是电导量子化和热导量子化现象受到了广大科学工作者的关注,这些成果在纳米尺度电子器件和热量子器件方面具有广阔的应用前景。本文针对具有重要理论意义和应用前景的介观、纳米尺度量子结构中的输运机理开展了一系列的研究,获得了一些有意义的成果:运用模匹配方法研究了非对称T型磁量子结构的电子输运性质。结果表明,结构因子和磁势垒都能改变电子散射模数,电子输运谱因此变得复杂而丰富,散射区域出现了完全局域态和磁边缘态。在特定的结构参数和磁场强度下,能观测到宽谷、尖峰、共振透射和共振反射等电子输运现象,即可以通过调节磁场大小和结构参数来实现波矢过滤。研究了双磁垒量子结构中,磁场强度和偏压大小对电子自旋极化输运的影响。结果表明:零偏压下,电子在反平行等强磁垒结构中输运不会产生自旋极化;电子传输的阈值能量随磁场强度或偏置电压的增大而增大;在一定的磁场强度和偏压大小下,比较由半导体InAs和GaAs两类材料构成的量子结构中电子输运自旋极化度,发现它们的电子输运自旋极化度都随入射能量的增大而呈振荡衰减趋势,朗德有效因子高的InAs材料比GaAs的自旋极化度高出一个数量级。运用散射矩阵方法,研究了台阶磁势垒量子结构中二维电子气的隧穿输运性质。结果表明:零偏压下,电子的自旋极化曲线随入射能量的增加而振荡衰减;随着磁台阶数的增加,电子自旋极化度最大值减小,同时自旋极化度振荡衰减也越来越慢。在偏置电压的作用下,电子自旋极化度在宽广的入射能量区出现明显的振荡增大,电子隧穿磁台阶势垒表现出更明显的自旋过滤效应。研究了Neumann边界条件和Dirichlet边界条件下,不连续的纳米结构中的声学声子输运性质的影响。结果表明:两种边界条件下,声学声子输运谱呈不同的输运行为,我们能观察到共振透射和禁止频带,这是由于声子模与模的耦合作用。研究了含侧面端子的非均匀量子线的声子热耦合效应。这里我们考虑了两种典型的边界条件,即弹性自由和硬壁边界条件。研究结果表明:在应力自由边界条件下,我们能观察到热导量子化现象,而在硬壁边界条件下,不能观察到这一现象。两侧端结构之间的耦合效应对热导的影响随边界条件的不同而不同,随着两侧端结构的距离的增加,热导呈振荡衰减现象。这一结果对热调控器件的设计提供了新的思路。研究了周期性调控的介电量子线的声学声子输运几率和热导。研究结果表明:周期性的散射导致了一些有趣的物理现象:(1)观察到声子谱的峰谷结构,随周期数的增加,某些深谷发展为禁止频带,而且禁带的宽度可以通过改变结构参数和周期数来控制;(2)热导依赖于周期数和结构参数,而且在周期数较少时,热导随结构参数的变化更明显。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪 论
• 1.1 引言
• 1.2 量子结构的输运理论
• 1.2.1 介观输运的物理特征长度
• 1.2.2 半导体磁量子结构中电子态的描述方法
• 1.2.3 Landauer-Büttiker输运理论
• 1.3 低温量子结构的弹道热输运
• 1.3.1 低温量子结构量子化热导的实验研究
• 1.3.2 低温声子弹道热输运的理论研究
• 1.4 本研究工作的目的和意义
• 第2章 半导体磁量子结构电子输运性质的研究
• 2.1 引言
• 2.2 理论模型与公式
• 2.3 计算结果与讨论
• 2.3.1 结构因子对电子输运的影响
• 2.3.2 磁场对电子输运的影响
• 2.4 结论
• 第3章 半导体磁量子结构电子自旋极化输运性质的研究
• 3.1 引言
• 3.2 理论模型与公式
• 3.2.1 反平行磁垒结构的电子态描述
• 3.2.2 周期性磁垒的电子态描述
• 3.3 计算结果与讨论
• 3.3.1 双磁垒结构的电子自旋极化
• 3.3.2 周期性磁垒结构的电子自旋极化
• 3.4 结论
• 第4章 边界条件对半导体量子结构声子输运性质的影响
• 4.1 引言
• 4.2 理论模型与公式
• 4.2.1 散射矩阵方法
• 4.2.2 缺陷处的散射矩阵表达形式
• 4.3 计算结果与讨论
• 4.4 结论
• 第5章 半导体量子结构声子热输运的耦合效应
• 5.1 引言
• 5.2 理论模型与公式
• 5.3 计算结果与讨论
• 5.3.1 边界条件对声子热耦合的影响
• 5.3.2 耦合长度对声子输运系数的影响
• 5.4 结论
• 第6章 半导体量子结构中声子热输运的周期性调控
• 6.1 引言
• 6.2 理论模型与公式
• 6.3 计算结果与讨论
• 6.3.1 周期性样式中的声子输运概率
• 6.3.2 周期性样式中的热导
• 6.3.3 含周期性缺陷的声子谱
• 6.4 结论
• 结论
• 参考文献
• 附录A 攻读学位期间发表的学术论文目录
• 致谢