低维介观体系中的自旋电子输运

论文摘要

与自旋相关的量子输运研究是当前自旋电子学领域的一个热点课题。本文在简单地回顾了半导体量子阱、超晶格和量子点的概念之后,对量子输运中常用的几种研究方法作了简单的介绍,如Landauer-Buttiker公式、传输矩阵、散射矩阵和非平衡格林函数方法。然后,对电子在半导体双势垒结构、多势阱半导体超晶格结构、双AB干涉仪、双量子点形成的四端AB干涉仪中的自旋相关的输运特性作了研究。首先,利用有效质量近似、Floquet理论和传输矩阵方法,研究了外加振荡场和自旋轨道耦合影响下,电子通过对称半导体双势垒结构的输运特性。结果表明Dresselhaus自旋轨道耦合会消除自旋简并,导致传导率自旋劈裂。随着振荡场的振荡幅度的增大,多光子过程出现,共振峰的数量和两个相邻共振峰之间的距离可分别由外加振荡场的振幅和频率来控制。另外,在势阱较窄、振荡场的振荡幅度较小时,可以得到光子调制的高自旋极化透射的电子,利用此性质期望可以实现可调谐的自旋过滤器件。其次,利用传输矩阵方法,研究了势阱区域含有Dresselhaus自旋轨道耦合时,电子通过多势阱半导体超晶格结构的隧穿性质。与单势阱和双势阱相比,多势阱半导体超晶格结构增强了透射电子的自旋极化率。自旋轨道耦合会消除自旋简并,导致低入射能量区域内电子微带的完全自旋劈裂,从而在较大的能量窗口内使电子实现100%的极化透射,这可以作为实现自旋过滤的一个有效方案。另外,我们发现电子从势阱上方通过n个势阱形成的半导体超晶格结构时,一个微带中的共振峰劈裂规则为:n重劈裂或者n-1重劈裂,它依赖于势阱的宽度和势垒的厚度。这一规则与电子通过n个势垒形成的半导体超晶格结构时的共振峰劈裂规则是不同的。接下来,利用非平衡格林函数方法,研究了双AB干涉仪中RSOI引起的Andreev反射流的自旋极化性质。自旋极化率可以通过调节AB磁通φ,RSOI强度,和两个量子点之间的耦合强度tc来控制。不管两个量子点之间有无耦合,我们都可以得到完全自旋极化的Andreev反射流,但是只有当两个量子点之间没有耦合时,完全自旋极化的Andreev反射流才是最大的。最后,研究了双量子点形成的四端AB干涉仪的输运性质,其中考虑了铁磁电极和RSOI对输运的影响。基于正常透射和交叉Andreev反射,右电极可以收集到自旋向上的电子和空穴,自旋向下的电子和空穴。通过调节铁磁电极的极化率,AB磁通,RSOI引起的相位φR等参数,此系统会使一种自旋成分的粒子不透射,同时使收集到的另一种自旋成分的电子和空穴的数量相等,从而得到没有电荷流的纯自旋流。因此,此模型可以用来作为一个自旋注入器。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 第一章 低维介观体系和自旋电子学
• 1.1 半导体量子阱和超晶格
• 1.1.1 半导体量子阱和超晶格介绍
• 1.1.2 半导体超晶格的分类
• 1.1.3 量子阱和超晶格的特性
• 1.2 半导体量子点
• 1.2.1 量子点简介
• 1.2.2 量子点的性质
• 1.2.3 量子点的制备方法
• 1.3 半导体自旋电子学研究进展
• 1.3.1 自旋电子学的兴起
• 1.3.2 半导体自旋电子学
• 1.3.3 自旋电子注入
• 1.3.4 自旋轨道相互作用
• 参考文献
• 第二章 几种输运中常用的研究方法
• 2.1 Landauer-B（u|¨）ttiker公式
• 2.2 传输矩阵
• 2.3 散射矩阵
• 2.4 非平衡格林函数方法
• 2.4.1 非平衡格林函数的定义
• 2.4.2 非平衡格林函数方法的应用及电流表达式
• 2.4.3 非平衡格林函数的三大方程
• 参考文献
• 第三章 Dresselhaus自旋轨道耦合对自旋极化输运的影响
• 3.1 Floquet定理
• 3.2 Fano效应
• 3.3 对称半导体双势垒结构中自旋极化的场助共振隧穿
• 3.3.1 引言
• 3.3.2 模型和公式
• 3.3.3 数值结果和讨论
• 3.3.4 小结
• 3.4 n个势阱形成的超晶格结构中自旋极化输运和共振劈裂规则研究
• 3.4.1 引言
• 3.4.2 模型和公式
• 3.4.3 数值结果和讨论
• 3.4.4 小结
• 参考文献
• 第四章 Rashba自旋轨道相互作用导致的自旋极化输运
• 4.1 Andreev反射介绍
• 4.2 Rashba自旋轨道相互作用的二次量子化
• 4.3 双AB干涉仪中RSOI引起的Andreev反射流的自旋极化
• 4.3.1 引言
• 4.3.2 模型和公式
• 4.3.3 数值结果和讨论
• 4.3.4 小结
• 4.4 电子和空穴共同形成的纯自旋注入器
• 4.4.1 引言
• 4.4.2 模型和公式
• 4.4.3 数值结果和讨论
• 4.4.4 小结
• 参考文献
• 总结与展望
• 攻读博士期间已发表和待发表的论文
• 致谢