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基于自旋和类自旋自由度的纳米器件设计

赵晓芳  
【摘要】: 电子是电荷与自旋的统一载体。在微电子学中已经对电子的电荷性质做了很多研究,并且基于电荷性质得到了很多实用的电学器件,使我们的生活日新月异。但是当微电子器件的尺寸小到一定尺度时就会有量子效应出现,器件的物理工作原理失效。因此,以电子的另一个性质——自旋作为信息载体的一个新兴的研究领域“自旋电子学”发展起来,成为凝聚态物理学中一个新的学科分支。自旋电子器件的操作需要产生、探测和操控自旋流。石墨烯是近年来纳米材料的另一个研究热点,是芯片产业替代硅的可能材料之一。本文第一章介绍了纳米电子学,自旋电子学和石墨烯材料。 文章的第二、三章是我们的主要工作。在第二章我们考虑了一个自旋轨道耦合调制下的量子点接触(QPC)器件。当自旋偏压施加到一个二端装置时,将会有电荷流产生。本章展示了这种电荷流的整流效应。我们发现当自旋偏压的极化方向(同时也是自旋的量子化轴)沿着QPC的横向时,两个自旋守恒的传输系数随入射能量的变化显著不同。这种差异对自旋偏压引起的电荷流整流效应而言是一个必要条件。将自旋偏压的作用从器件的一端改变到另一端时,电荷流可以从零改变到一个很显著的值。 石墨烯的能谱具有二重的谷简并。借鉴自旋电子学中对电子自旋的研究思路,这种谷自由度可用作信息载体。谷电子器件的运行需要两个谷的电子分布存在差异。目前关于谷过滤的设计方案都集中在对谷极化的全电学控制。本文第三章提出一种基于石墨烯块材料的谷过滤器件,该器件中的电子受到应力和磁场共同调制。对二端石墨烯器件,当狄拉克电子只受局域磁场或应力单独调制时,没有谷极化产生。当两种调制共同作用时石墨烯的两个谷在倒空间有不同大小的位移。相应地,输出电流是谷极化的。谷极化度可以用应力的强度和所施加的标量电势来调节。当局域磁场的方向改变时,谷极化的极性也随之改变。


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