几种介观系统中自旋相关输运性质的研究

【摘要】： 随着材料制备技术和超微细加工技术的研究进展,人们已经可以制备各种形式的介观器件,如铁磁/半导体/铁磁异质结、量子点等。这些低维介观系统中产生的许多新现象和新效应,如人工能带裁剪、量子尺寸效应和量子相干效应,受到了人们的广泛关注。另一方面,随着半导体器件进一步向小型化发展,利用电子电荷的传统电子器件达到了其极限。因此,最近人们正在探索利用电子的另一特性——自旋来实现数据处理和数据存储,随之而出现一门新的研究领域,被称之为自旋电子学。在开发新型器件时,我们必须将微电子学与自旋相关效应综合起来考虑。自旋电子学器件不仅可以用来数据处理还可以用来数据存储,与传统的电子器件相比,它有很多潜在的优势,比如非易失性的数据储存、更快的数据处理速度、更低的能耗、更大的集成密度等。如果想利用自旋实现数据处理和存储,我们必须将自旋和现代半导体技术结合起来,这就产生了一系列有待于我们解决的问题,比如,自旋的注入与探测、自旋极化流的产生、自旋相关输运、自旋的控制和操纵。 本论文中,我们首先综述了介观系统以及典型的介观现象,叙述了介观系统中的自旋相关输运性质,而后简单介绍了传递矩阵、散射矩阵、格点格林函数、非平衡格林函数等几种输运理论。最后研究了几种介观系统中自旋相关输运性质: 1.利用散射矩阵方法,研究了单模铁磁/半导体/铁磁异质结中的自旋输运性质。同时考虑铁磁体与半导体界面处存在δ型势垒、纵向量子尺寸效应、半导体中的Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合以及铁磁体中磁化方向对输运性质的影响,我们得到了体系的自旋相关的透射几率和散粒噪声。 2.利用散射矩阵和模匹配技术研究了存在自旋轨道耦合的多模铁磁/半导体/铁磁异质结中自旋相关的电导和散粒噪声。我们发现自旋向上和自旋向下电子对电导和散粒噪声的贡献是不同的。当半导体通道的长度变短时,电导出现了平滑的量子平台。当参与输运的通道数目增加时,散粒噪声振荡,Fano因子受到抑制。我们还发现由自旋轨道耦合引起的子带间的混合对自旋相关的电导和散粒噪声有重大的影响。 3.研究了Dresselhaus自旋轨道耦合对铁磁/绝缘体/半导体/绝缘体/铁磁隧穿结中自旋输运性质的影响。研究结果表明:(a)减小绝缘层的厚度可以提高自旋极化率;(b)系统中隧穿磁电阻(TMR)的倒置是由Dresselhaus自旋轨道耦合引起的。而且发现考虑Dresselhaus自旋轨道耦合,当势垒中局域态的能量和铁磁电极中费米能相匹配时,系统中会发生TMR的倒置现象。 4.研究了嵌入到Aharonov-Bohm干涉仪中的平行双量子点中的自旋极化。系统中不存在磁场和磁性材料,而且只有量子点中存在自旋轨道耦合。我们发现即使在弱的自旋轨道耦合下自旋极化率也可以达到很大。通过改变自旋轨道耦合强度或量子点内的能级很容易调节自旋极化的强度和方向,而且当量子点内的能级相等时电子-电子互作用能够增强量子点内的自旋积累,当量子点内的能级不相等时电子-电子互作用不能增强量子点内的自旋积累。