半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)自旋軌道耦合量子線自旋輸運(yùn)研究.pdf

1、自旋電子學(xué)是物理學(xué)與信息學(xué)等多學(xué)科交叉而形成的新興學(xué)科領(lǐng)域，它以電子自旋自由度為研究對(duì)象并以發(fā)展可替代傳統(tǒng)電子器件的新型自旋電子器件為目標(biāo)，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用背景，近十多年來取得了令人矚目的進(jìn)展．
　　 本文采用散射矩陣方法，對(duì)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)自旋軌道耦合量子線中的自旋極化、自旋積聚、自旋流及其產(chǎn)生的電場(chǎng)、自旋極化輸運(yùn)等問題進(jìn)行了較系統(tǒng)地研究．
　　 全文共分為六章，具體安排如下：
　　 第一章為緒論部分．對(duì)自

2、旋電子學(xué)及半導(dǎo)體自旋電子學(xué)的研究進(jìn)展進(jìn)行概述，并對(duì)論文的主要研究?jī)?nèi)容進(jìn)行了扼要介紹．
　　 第二章為論文的預(yù)備知識(shí)部分．首先介紹了半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)以及一些典型的人工低維結(jié)構(gòu)和散射矩陣方法；接著推導(dǎo)了異質(zhì)結(jié)中Rashba和Dresselhaus自旋軌道耦合電子哈密頓量的表達(dá)式，并求解出相應(yīng)的電子結(jié)構(gòu)；最后對(duì)兩種機(jī)制自旋軌道耦合效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行了概述．
　　 第三章主要研究自旋軌道耦合量子線中的自旋極化及其形成的自旋積聚．首先

3、利用微擾理論方法，計(jì)算得到了拋物勢(shì)或硬壁勢(shì)限制下Rashba和Dresselhaus耦合共同作用量子線中的電子橫向波函數(shù)精確解；接著運(yùn)用散射矩陣方法，求解出了加上電極后系統(tǒng)的電子透射和反射系數(shù)矩陣，得到了量子線中電子波函數(shù)的表達(dá)式；最后利用局域自旋極化的定義，計(jì)算了Rashba和Dresselhaus耦合各種組合情況下拋物勢(shì)和硬壁勢(shì)限制量子線中的自旋極化分量〈Si〉(i=x，y，z)．結(jié)果顯示，沿兩種不同限制勢(shì)量子線的橫向，當(dāng)只有Ras

4、hba耦合存在時(shí)系統(tǒng)垂直于平面(out—ofplane)自旋極化〈Sz〉呈現(xiàn)出內(nèi)稟自旋積聚，當(dāng)只有Dresselhaus耦合存在時(shí)〈Sz〉為同向自旋極化而無自旋積聚形成．當(dāng)硬壁勢(shì)限制下兩種耦合同時(shí)作用時(shí)，Rashba耦合對(duì)〈Sz〉的影響要大于Dresselhaus耦合的影響，并且隨著兩種耦合強(qiáng)度系數(shù)之比的增大，〈Sz〉將會(huì)從同向自旋極化逐漸演變成自旋積聚．此外，除拋物限制勢(shì)下Rashba耦合情況的〈Sz〉分量外，各自旋極化〈Si〉在兩種

5、耦合分別作用下沿量子線縱向存在內(nèi)稟振蕩，該振蕩可用來區(qū)別內(nèi)稟和外稟自旋積聚效應(yīng)．
　　 第四章主要研究Rashba和Dresselhaus自旋軌道耦合分別作用硬壁限制勢(shì)量子線中的自旋流及自旋流產(chǎn)生的電場(chǎng)．利用橫向波函數(shù)精確解，推導(dǎo)了Rashba和Dresselhaus耦合分別作用時(shí)量子線中的線自旋流和角自旋流密度的表達(dá)式，對(duì)各非零自旋流密度分量隨量子線通道數(shù)以及自旋軌道耦合強(qiáng)度變化的規(guī)律進(jìn)行了討論．接著，對(duì)兩種自旋軌道耦合分別作

6、用下自旋流產(chǎn)生的電場(chǎng)進(jìn)行了研究．結(jié)果顯示，兩種耦合分別作用下都存在兩個(gè)非零線自旋流分量，Rashba耦合作用下自旋流及其產(chǎn)生電場(chǎng)的大小要大于Dresselhaus耦合情況．同時(shí)，兩種情況的自旋流產(chǎn)生電場(chǎng)的大小在現(xiàn)代技術(shù)水平下可以被測(cè)量到，從而提供了一種有效檢測(cè)自旋流的方法．
　　 第五章運(yùn)用散射矩陣方法和Landauer—Büttiker公式，分別計(jì)算了Rashba耦合、Dresselhaus耦合以及兩種耦合同時(shí)存在時(shí)硬壁限制勢(shì)

7、量子線連接電極系統(tǒng)的自旋相關(guān)電導(dǎo)和自旋極化率Pz．結(jié)果表明，三種不同耦合情況下自旋相關(guān)電導(dǎo)及自旋極化率在不同通道過渡區(qū)附近存在著振蕩結(jié)構(gòu)，且電導(dǎo)量子化平臺(tái)由系統(tǒng)兩端電極的通道數(shù)所確定．當(dāng)只存在一種自旋軌道耦合時(shí)，自旋向上和自旋向下電導(dǎo)平臺(tái)發(fā)生分裂，產(chǎn)生了自旋極化，同時(shí)，隨著相應(yīng)耦合強(qiáng)度的增加，寬量子線情況的電導(dǎo)平臺(tái)被破壞．當(dāng)兩種自旋耦合同時(shí)作用時(shí)，隨著兩種耦合強(qiáng)度系數(shù)之比的增大，自旋向上和自旋向下電導(dǎo)的相對(duì)大小發(fā)生變化，導(dǎo)致Pz的正負(fù)發(fā)