基于拓?fù)浣^緣體表面準(zhǔn)一維體系電子結(jié)構(gòu)及輸運(yùn)性質(zhì)研究.pdf

1、拓?fù)浣^緣體是一種完全不同于傳統(tǒng)金屬與絕緣體的新型量子物態(tài)，其體電子態(tài)是有能隙的絕緣體，而表面/邊緣是無能隙的金屬態(tài)，而且這種無能隙的表面/邊緣態(tài)受到時(shí)間反演對稱性的保護(hù).拓?fù)浣^緣體的獨(dú)特性質(zhì)使其迅速成為近年來凝聚態(tài)物理研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn).本論文在彈道輸運(yùn)理論框架下，采用傳輸矩陣方法以及Landaur-Büttiker公式，研究拓?fù)浣^緣體表面上金屬門電極及鐵磁近鄰作用限制形成的幾種準(zhǔn)一維體系的電子結(jié)構(gòu)和輸運(yùn)性質(zhì)及其外場調(diào)控問題，旨在為未來

2、基于拓?fù)浣^緣體表面態(tài)的納米（自旋）電子器件的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ).
　　全文共分為六章.第一章為緒論，簡要介紹了量子自旋霍爾效應(yīng)和拓?fù)浣^緣體的基本概論，以及幾種典型基于拓?fù)浣^緣體表面態(tài)低維體系的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)與制備.第二章中，我們較詳細(xì)介紹了介觀量子輸運(yùn)中常用的理論研究方法，即矩陣方法和非平衡格林函數(shù)方法.
　　第三章研究了三維拓?fù)浣^緣體薄膜表面態(tài)在金屬門電極方勢阱的限制下一維波導(dǎo)體系.從表面態(tài)有效哈密頓量出發(fā)，通過求解對應(yīng)的本征方程

3、獲得了電子結(jié)構(gòu)，包括能帶結(jié)構(gòu)和自旋極化分布.結(jié)果表明:在勢阱中存在表面束縛態(tài)，其實(shí)空間中電子密度分布局域在勢阱內(nèi)，而在勢阱外是指數(shù)衰減的;束縛態(tài)子能級與波矢成準(zhǔn)線性的色散關(guān)系;當(dāng)波矢ky＞0時(shí)，通道內(nèi)電子主要占據(jù)薄膜的上表面，而ky＜0時(shí)，電子主要占據(jù)薄膜的下表面;由于上下表面的耦合作用，具有相同電子密度分布的上表面和下表面束縛態(tài)的自旋極化方向是相反的.
　　第四章研究了電勢阱對三維拓?fù)浣^緣體表面態(tài)朗道能級的影響.通過數(shù)值計(jì)算方法

4、求解體系相應(yīng)的Dirac方程，獲得了一些有趣的結(jié)果:在一定的范圍內(nèi)，能量既是垂直磁場的函數(shù)又是波矢的函數(shù)，而且導(dǎo)帶和價(jià)帶不再關(guān)于最低朗道能級對稱;當(dāng)電子的回旋軌道中心位于勢阱內(nèi)時(shí)，局域態(tài)密度中的價(jià)帶部分將被抑制;當(dāng)回旋軌道中心不太靠近勢阱的兩個(gè)邊界，能級趨于平坦，與波矢無關(guān).有趣的是，我們發(fā)現(xiàn)這種限制勢不但改變朗道能級而且產(chǎn)生了沿著勢阱的邊界傳播的邊界態(tài)，導(dǎo)帶上邊界態(tài)的幾率密度和自旋極化主要分布在勢阱內(nèi)而在勢阱外是衰減的，但是價(jià)帶上邊界

5、態(tài)的幾率密度和自旋極化主要分布在勢阱外而在勢阱內(nèi)是衰減的.
　　第五章從硅烯有效Dirac哈密頓量出發(fā)，研究了不均勻局域電場和鐵磁近鄰交換場形成的準(zhǔn)一維通道內(nèi)的自旋和谷過濾效應(yīng).利用傳輸矩陣方法和Landaur-Büttiker公式，我們得到的結(jié)果表明:兩界面之間的全內(nèi)反射使得通道內(nèi)存在束縛態(tài)，且電場和交換場對具有不同自旋和谷指標(biāo)的導(dǎo)帶和價(jià)帶產(chǎn)生不同的效應(yīng);發(fā)現(xiàn)可以存在沿通道自旋和谷極化的輸運(yùn)電流，它的極化程度受局域電場和交換場的