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量子点系统中的热输运研究

王强  
【摘要】:近年来,随着微加工技术和纳米技术的快速发展,理解纳米尺度结构中热是如何被运载、分布、储存以及转换等问题成为人们越来越关注和重视的研究课题。探索了解纳米尺度结构中的发热规律与研究如何降低和利用纳米器件的发热量对于深刻理解电子输运信息、缓解世界能源危机有着非常重要的意义。最近,由于人们在纳米结构材料中得到了较高的热电品质因子,因此合理利用纳米系统的热电效应将成为回收利用废热非常有效的办法。本文将这些问题具体到量子点系统中,一方面通过构建不同的量子点结构来寻求更高的热电品质因子,另一方面对与超导电极和金属电极相连的量子点中的发热特性做了深入的研究。论文首先介绍了量子点及其输运特性、局域发热效应和热电效应及其研究现状,接着详细介绍了量子输运的非平衡格林函数方法,给出了电流、热流和发热量的普遍表达形式。基于这些表达式,本文主要研究内容如下: 首先,我们研究了串联耦合双量子点中自旋相关的热电输运特性。耦合双量子点与两端铁磁电极相连,而且在耦合双量子点间的势垒中外加一个稳定的磁场,因此量子点与电极之间以及量子点之间的隧穿耦合都是自旋相关的。我们发现当两端铁磁电极处于平行磁化结构时,如果自旋向下电子对应的有效点间耦合以及点与电极耦合比较小,自旋向下共振能级附近的热电转换效率就会很大地增强。当存在外加磁场的时候,铁磁电极上的自旋累积将抑制热电转换效率。在合适的温度条件下点内库仑相互作用也会很大地提高热电转换和热自旋转换效率。而且我们得到一个纯自旋热电势。 其次,我们研究了由一个中间量子点与两个侧向量子点耦合组成的三量子点结构中的热电输运特性,主要讨论了线性响应区域Dicke效应对热电输运的影响。我们发现在低温情形下,电导和热导率都呈现出了电子版本的Dicke效应。当能级间距比较小(或者是特别大)和点间隧穿耦合比较大的时候,在亚辐射态附近,由于局域态密度函数类似于δ函数,所以热电势得到了很大的增强,而且电导和热导率强烈地违背Wiedemann-Franz定律,因此热电转换效率得到了很大的提高。当温度升高时,调节点间隧穿耦合到较大的值时同样可以得到一个非常高的热电转换效率。另外我们也讨论了点间耦合的不对称参数和点内库仑作用对热电输运的影响。 最后,我们考虑了一个耦合到左端正常金属电极和右端超导电极的量子点系统,并研究了这一系统的局域发热特性。在点与电极弱耦合情形下,我们发现发热量并不正比于电流,而且可以通过调节门电压、偏压和温度来控制。我们讨论了装置的最佳工作状态所对应的参数区域。在高温情形下,我们发现吸收一个声子的声子辅助的Andreev隧穿(或者是声子辅助的直接隧穿)可以导致发热量成为负数。负的发热量表明当电流流过量子点时热流是从声子系统流向电子系统的。所以从应用的角度来看,这种装置可以作为一个局域量子冰箱来使用。


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