納米結構中的電子輸運研究.pdf

1、本論文運用散射矩陣方法，從理論上研究了電子在二維電子氣納米結構系統(tǒng)的輸運特性。 首先對于電子在二維電子氣中，通過楊氏雙縫干涉系統(tǒng)的干涉行為進行了系統(tǒng)的研究。研究結果表明，對于對稱楊氏干涉系統(tǒng)，當只有最低的模通過時，所形成的干涉條紋遵循傳統(tǒng)的楊氏干涉實驗的結果；當有多個電子電子模態(tài)被允許通過雙縫系統(tǒng)時，電子流通過雙縫后產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輸運的多模散射矩陣理論方法。在理論公式中，所需的哈密頓量矩陣都用(同一套)導線中的橫向本征態(tài)和自旋本征態(tài)來展開。理論模型能夠準確處理自旋相關的多模電子輸運現象。所發(fā)展的散射矩陣理論方法在數值上是穩(wěn)定的，適用于比較普遍的情形，比如系統(tǒng)具有復雜的幾何結構、勢場分布、自旋軌道耦合強度分布，等等。為了驗證理論方法的優(yōu)勢，將散射矩陣理論運用到兩

3、種結構中：包含單個Rashba自旋軌道調制區(qū)的結構和包含N個周期的Rasha自旋軌道耦合超晶格結構。計算結果表明，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制區(qū)后自旋發(fā)生旋轉。對于包含單個Rashba自旋軌道調制區(qū)的結構，當自旋軌道耦合強度比較強的時候，電子的自旋相關電導和自旋極化率強烈依賴于費米能級。特別當費米能級靠近子帶的邊緣時(子帶指標n ≥ 2)，由自旋軌道耦合導致的子帶間相互作用對于電子的

4、自旋極化輸運具有特別顯著的影響。對于給定的費米能級，當總電導位于量子平臺時，隨著自旋軌道耦合強度α或者自旋軌道調制區(qū)長度L的增加，自旋相關電導表現出非常規(guī)則的振蕩。數值結果表明在制備自旋晶體管器件時，導體并不需要限定于單模區(qū)，多模的自旋晶體管調制也是有可能實現的。對于包含N個周期單元的Rasha自旋軌道耦合超晶格結構，電子表現出超晶格輸運的基本行為。但是自旋相關電導和自旋極化率表現出的行為卻比較復雜，主要表現出快速振蕩和慢速振蕩兩種特征

5、。自旋相關電導的慢速振蕩發(fā)生在遠離下一個子帶的地方：而快速振蕩則發(fā)生在距離下一個子帶比較近的地方(n≥2)。自旋相關電導的快速和慢速振蕩的特征在總電導中并沒有表現出來。由于自旋相關電導的復雜行為特性，自旋軌道耦合超晶格并不是一種好的自旋調制器件。 將散射矩陣理論擴展到具有自旋軌道耦合和局域磁場調制的電子輸運，深入研究了電子在兩者作用下的自旋相關輸運特性。首先考察了局域磁場的存在對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、當磁場不存在時，穿越自旋軌道耦合區(qū)的電子電導在子帶起始處(子帶指標>1)附近呈現出Fano反共振型的凹陷。而局域磁場的存在則消除了自旋軌道耦合作用引起的束縛態(tài)的自旋簡并，使得在總電導譜上出現更多的凹陷。其次，針對同一體系研究了局域磁場如何影響自旋投影的幾率分布。對于一對劈裂的電導凹陷，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，在電導凹陷處，磁場不存在時可觀察到霍爾狀的自旋累積；加入局域磁場后則發(fā)現相反符號的自旋沿輸運方

7、向發(fā)生空間分離。當費米能位于電導平臺時，不管磁場存在與否，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。在電導凹陷處，即使沒有磁場也觀察不到zitterbewegung現象。 研究如何通過改變鐵磁條的極化方向來實現鐵磁體/半導體復合結構的自旋濾波，由鐵磁條所誘發(fā)的局域磁場的垂直和平行分量都被考慮在內。通過施加一個較小的外部磁場，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