半导体异质结自旋轨道耦合量子线自旋输运研究

论文摘要

自旋电子学是物理学与信息学等多学科交叉而形成的新兴学科领域,它以电子自旋自由度为研究对象并以发展可替代传统电子器件的新型自旋电子器件为目标,具有重要的科学意义和应用背景,近十多年来取得了令人瞩目的进展.本文采用散射矩阵方法,对半导体异质结自旋轨道耦合量子线中的自旋极化、自旋积聚、自旋流及其产生的电场、自旋极化输运等问题进行了较系统地研究.全文共分为六章,具体安排如下:第一章为绪论部分.对自旋电子学及半导体自旋电子学的研究进展进行概述,并对论文的主要研究内容进行了扼要介绍.第二章为论文的预备知识部分.首先介绍了半导体异质结以及一些典型的人工低维结构和散射矩阵方法;接着推导了异质结中Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合电子哈密顿量的表达式,并求解出相应的电子结构;最后对两种机制自旋轨道耦合效应的实验研究进行了概述.第三章主要研究自旋轨道耦合量子线中的自旋极化及其形成的自旋积聚.首先利用微扰理论方法,计算得到了抛物势或硬壁势限制下Rashba和Dresselhaus耦合共同作用量子线中的电子横向波函数精确解;接着运用散射矩阵方法,求解出了加上电极后系统的电子透射和反射系数矩阵,得到了量子线中电子波函数的表达式;最后利用局域自旋极化的定义,计算了Rashba和Dresselhaus耦合各种组合情况下抛物势和硬壁势限制量子线中的自旋极化分量<Si>（i=x,y,z）.结果显示,沿两种不同限制势量子线的横向,当只有Rashba耦合存在时系统垂直于平面（out-ofplane）自旋极化<Si>呈现出内禀自旋积聚,当只有Dresselhaus耦合存在时<Sz>为同向自旋极化而无自旋积聚形成.当硬壁势限制下两种耦合同时作用时,Rashba耦合对<Sz>的影响要大于Dresselhaus耦合的影响,并且随着两种耦合强度系数之比的增大,<Sz>将会从同向自旋极化逐渐演变成自旋积聚.此外,除抛物限制势下Rashba耦合情况的<Sz>分量外,各自旋极化<Si>在两种耦合分别作用下沿量子线纵向存在内禀振荡,该振荡可用来区别内禀和外禀自旋积聚效应.第四章主要研究Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合分别作用硬壁限制势量子线中的自旋流及自旋流产生的电场.利用横向波函数精确解,推导了Rashba和Dresselhaus耦合分别作用时量子线中的线自旋流和角自旋流密度的表达式,对各非零自旋流密度分量随量子线通道数以及自旋轨道耦合强度变化的规律进行了讨论.接着,对两种自旋轨道耦合分别作用下自旋流产生的电场进行了研究.结果显示,两种耦合分别作用下都存在两个非零线自旋流分量,Rashba耦合作用下自旋流及其产生电场的大小要大于Dresselhaus耦合情况.同时,两种情况的自旋流产生电场的大小在现代技术水平下可以被测量到,从而提供了一种有效检测自旋流的方法.第五章运用散射矩阵方法和Landauer-B（u|¨）ttiker公式,分别计算了Rashba耦合、Dresselhaus耦合以及两种耦合同时存在时硬壁限制势量子线连接电极系统的自旋相关电导和自旋极化率Pz.结果表明,三种不同耦合情况下自旋相关电导及自旋极化率在不同通道过渡区附近存在着振荡结构,且电导量子化平台由系统两端电极的通道数所确定.当只存在一种自旋轨道耦合时,自旋向上和自旋向下电导平台发生分裂,产生了自旋极化,同时,随着相应耦合强度的增加,宽量子线情况的电导平台被破坏.当两种自旋耦合同时作用时,随着两种耦合强度系数之比的增大,自旋向上和自旋向下电导的相对大小发生变化,导致Pz的正负发生改变.以上结果表明自旋相关电导和自旋极化率对自旋轨道耦合强度具有强依赖陛,这一特性是提出自旋晶体管器件的重要基础.第六章对本论文工作进行了总结和归纳,指出了论文的创新之处,并对这一研究领域的发展前景及后续研究工作作出展望.

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• §1.1 自旋电子学简介
• §1.2 半导体自旋电子学研究进展
• §1.3 本文选题与主要研究内容
• 第二章 半导体异质结中的自旋轨道耦合效应
• §2.1 半导体异质结人工低维结构
• §2.2 介观输运理论中的散射矩阵方法
• §2.3 半导体异质结自旋轨道耦合效应的来源
• §2.3.1 Rashba自旋轨道耦合
• §2.3.2 Dresselhaus自旋轨道耦合
• §2.3.3 自旋轨道耦合量子阱的电子结构
• §2.4 自旋轨道耦合效应的实验观测
• §2.4.1 Rashba和Dresselhaus效应相关实验
• §2.4.2 自旋轨道耦合相关的自旋霍尔效应实验研究
• 第三章 自旋轨道耦合量子线中的自旋积聚
• §3.1 自旋轨道耦合量子线中电子波函数微扰解
• §3.1.1 抛物限制势
• §3.1.2 硬壁限制势
• §3.2 抛物限制势自旋轨道耦合量子线中自旋积聚
• §3.2.1 Rashba自旋轨道耦合
• §3.2.2 Dresselhaus自旋轨道耦合
• §3.3 硬壁限制势自旋轨道耦合量子线中自旋积聚
• §3.3.1 模型与公式推导
• §3.3.2 Rashba自旋轨道耦合
• §3.3.3 Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合
• §3.4 小结
• 第四章 自旋轨道耦合量子线中自旋流及检测
• §4.1 自旋流的定义
• §4.2 自旋轨道耦合量子线中的自旋流
• §4.2.1 模型与公式推导
• §4.2.2 Rashba自旋轨道耦合
• §4.2.3 Dresselhaus自旋轨道耦合
• §4.3 自旋轨道耦合量子线中自旋流产生的电场及检测
• §4.3.1 Rashba自旋轨道耦合
• §4.3.2 Dresselhaus自旋轨道耦合
• §4.4 小结
• 第五章 自旋轨道耦合量子线系统的自旋相关电导
• §5.1 模型与公式推导
• §5.2 自旋轨道耦合量子线系统的电导
• §5.2.1 Rashba自旋轨道耦合
• §5.2.2 Dresselhaus自旋轨道耦合
• §5.2.3 Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合
• §5.3 小结
• 第六章 总结和展望
• §6.1 全文总结
• §6.2 本论文的主要创新点
• §6.3 后续工作展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文与参加的科研项目
• 致谢