双势垒磁性隧道结中电子的自旋极化输运

 采用相干量子输运理论和传递矩阵方法,数值计算了两端具有铁磁接触的双势垒异质结构(F/DB/F)中自旋相关的隧穿几率和自旋极化率。结果表明,隧穿几率和自旋极化率随阱宽的增加发生振荡周期不随垒厚变化的周期性振荡;Rashba自旋轨道耦合强度的增加加大了隧穿几率和自旋极化率的振荡频率;隧穿几率和自旋极化率的振幅和峰谷比强烈依赖于两铁磁电极中磁化方向的夹角。与铁磁/半导体/铁磁（F/S/F）磁性隧道结中的结果相比,发现垒厚的增加增大了隧穿几率和自旋极化率的峰谷比,自旋极化率的取值明显增大,并具有自旋劈裂和自旋翻转现象出现。     

δ掺杂对磁纳米结构中电子输运性质的影响

建立铁磁条调制下含有δ掺杂的磁纳米结构模型,计算不同δ掺杂位置及高度时电子的透射几率及自旋极化率,重点研究了该纳米结构中电子的自旋输运性质。结果表明,该磁纳米结构中可实现较显著的自旋极化效应,且δ掺杂的位置及高度均会对其中的电子输运性质产生影响。因此,理论上可以通过控制δ掺杂的位置及高度来获得实际需要的自旋极化强度,有助于新型自旋电子学器件的开发。     

纳米结构中电子输运受到磁电垒影响的研究

我们使用转移矩阵方法,详细研究了纳米结构中的弹性电子的透射几率、自旋极化和电导,发现这些物理量敏感地依赖于周期性的磁电垒的周期数.随着周期数增加, 共振劈裂数目增加,共振峰增多导致共振峰变尖锐,同时自旋极化也加强.奇怪的是,在这种结构中通过自旋依赖的共振输运可以获得100%的自旋极化,尽管此结构中的平均磁场为零.     

有机自旋电子学研究进展

本文从铁磁有机器件与非磁有机器件两方面介绍了近年来有机自旋电子学研究进展,理论上探讨了有机功能材料内的自旋极化注入与输运、自旋的微观动力学过程以及调控载流子的自旋取向对器件整体性能的影响。针对最近发现的有机强磁效应,从实验与理论两方面作了系统的阐述。     

自旋相关耦合双量子点的非平衡输运特性

采用K e ldysh非平衡格林函数方法,研究了电子通过耦合双量子点的自旋极化输运特性.我们考虑量子点中的电子电子相互作用,在H artree-Fock近似下给出自旋分离流的普遍表达式.数值结果显示:随着偏压的增加,不同自旋取向的电子所占居的等效能级相继进入偏压窗口,自旋极化流振荡,电荷流持续增加.这些变化特性可以很好的用自旋相关的共振隧穿理论给予解释.     

单分子磁体耦合铁磁电极的量子输运

用主方程方法研究单分子磁体与两个铁磁电极耦合的自旋极化输运特性,对左右铁磁电极的自旋极化方向成任意角的情况,计算了单分子磁体量子态的占据率及通过系统的电流和隧穿磁阻(TMR).态的占据率随时问的变化表明单分子磁体的自旋翻转,当时间足够长时,占据率达到稳态,不同的夹角发生翻转现象的时间不同.这些结果为磁性分子器件的设计提供了理论依据.     

人造双原子分子的自旋极化电子输运

利用非平衡格林函数方法研究了Aharonov-Bohm环中人造双原子分子的自旋极化电子输运性质.计算了量子点中自旋相关的占有数、自旋积累以及系统总电导和自旋极化率.发现两电极之间的耦合强度以及量子点之间的耦合强度对系统自旋相关输运性质以及总的电导有重要影响.     

铁磁/半导体/铁磁异质结构的自旋极化输运

采用相干量子输运理论和传递矩阵方法,研究了具有不同自旋指向的极化电子渡越铁磁/半导体/铁磁异质结构的隧穿几率和自旋极化率.研究表明,隧穿几率和自旋极化率随半导体长度的改变发生周期性变化、随Rashba自旋轨道耦合强度的改变发生准周期变化,并且在2铁磁电极中磁矩取向平行时;选择适当的半导体的长度和Rashba自旋轨道耦合强度可以得到较大的自旋极化率.     

连接构型对铬卟啉分子自旋过滤效应的调控

采用第一性原理方法对不同连接构型的铬卟啉分子电子自旋输运性质进行计算分析.结果表明，对角连接构型的铬卟啉分子在0～0.2 V偏压区间范围内的自旋极化率高达95%以上，水平连接构型的导电性能比对角连接高约1个数量级.说明改变铬卟啉分子连接构型，可以改变电子自旋前线分子轨道分布和输运路径，从而实现其自旋过滤效应，对基于不同连接构型的铬卟啉分子器件的电子自旋输运性质进行有效调控.     

以铁磁绝缘体和铁磁半导体为势垒层的隧道结中的隧穿时间与自旋极化率

基于Winful的隧穿时间模型,对普通金属/铁磁绝缘体/普通金属(NM/FI/NM)、普通金属/铁磁半导体/普通金属(NM/FS/NM) 2种隧道结中的隧穿时间(居留时间和相位时间)和自旋极化率进行了研究.NM/FI/NM结中隧穿电子的自旋极化源于FI层的自旋过滤效应.而NM/FS/NM结中隧穿电子的自旋极化则源于FS层中磁性和Rashba自旋轨道耦合效应的共同作用.计算结果表明:在NM/FI/NM隧道结中,随着铁磁绝缘体层势垒厚度的增加,自旋极化率变化逐渐增加到趋于饱和并始终保持为正值.与之相应的自旋上下电子的居留时间和相位时间也随着增加,但自旋向下电子的隧穿时间总是大于自旋向上电子.铁磁绝缘体层中分子场的增加会导致自旋极化率逐渐增大并始终为正,相应的自旋向下电子的居留时间和相位时间总是大于自旋向上电子,但自旋向上电子的时间逐渐增加而自旋向下电子则相应减少.铁磁绝缘层势垒高度的变化会导致自旋极化率从负到正的转变.当自旋极化率为负时,相应的自旋向上电子的隧穿时间大于自旋向下电子的隧穿时间.在NM/FS/NM结中,由于Rashba自旋轨道耦合作用,自旋向上电子和自旋向下电子的隧穿时间随铁磁半导体层的厚度、分子场和Rashba耦合系数的变化呈现出周期性振荡变化的趋势.与之相应的自旋极化率从正到负,也呈周期性的振荡变化.但当自旋向下电子的隧穿时间大于自旋向上电子的时候,极化率为负,反之为正;这个结果和NM/FI/NM隧道结中的情况刚好相反.     

铁磁／有机／绝燃磁多层膜的隧道磁电阻研究

基于Slonczewski的自由电子近似理论,利用转移矩阵的方法计算了铁磁层／有机层／绝缘层／铁磁层磁性多层结构的隧穿磁电阻（tunnehng magnetic resistance,TMR）。保持有机层的厚度以及绝缘层的势垒高度不变,分别计算了在同一个有机层势垒高度且不同的自旋过滤因子β下的TMR随绝缘层厚度的变化;同时,还研究了在有机层和绝缘层的厚度不变,不同的β下,TMR随有机层势垒U的变化。结果表明,选取适当的β和绝缘层厚度能够获得大的TMR值;TMR随有机层势垒U的增加而增大。我们的计算结果对有机自旋注入、输运以及设计新的有机自旋电子器件的研究有一定的指导意义。     

Spin-galvanic effect

There is much recent interest in exploiting the spin of conduction electrons in semiconductor heterostructures together with their charge to realize new device concepts. Electrical currents are usually generated by electric or magnetic fields, or by gradients of, for example, carrier concentration or temperature. The electron spin in a spin-polarized electron gas can, in principle, also drive an electrical current, even at room temperature, if some general symmetry requirements are met. Here we demonstrate such a 'spin-galvanic' effect in semiconductor heterostructures, induced by a non-equilibrium, but uniform population of electron spins. The microscopic origin for this effect is that the two electronic sub-bands for spin-up and spin-down electrons are shifted in momentum space and, although the electron distribution in each sub-band is symmetric, there is an inherent asymmetry in the spin-flip scattering events between the two sub-bands. The resulting current flow has been detected by applying a magnetic field to rotate an optically oriented non-equilibrium spin polarization in the direction of the sample plane. In contrast to previous experiments, where spin-polarized currents were driven by electric fields in semiconductor, we have here the complementary situation where electron spins drive a current without the need of an external electric field.     

T型有机器件自旋注入效率的提高

考虑到有机半导体中特殊的载流子电荷自旋关系,建立了一个自旋注入有机半导体的简单的T型器件模型,运用自旋扩散理论计算得出了此模型的电流白旋极化率并与铁磁／有机半导体异质结构的注入效率进行了比较．理论计算发现T型模型中通过调节分支电流的大小会使自旋极化率较铁磁／有机半导体模型有明显的提高,并讨论了极化子比率、外加电场、自旋相关界面电阻以及有机半导体电导率等因素对电流自旋极化性质的影响．     

基于C纳米管的磁滞隧穿结的自旋输运

文章利用基于密度泛函的第一性原理和格林函数相结合的方法研究了由铁磁性原子（Fe）填充（3,3）C纳米管构成的磁滞隧穿结的自旋输运性质.研究表明,当两导线磁矩平行和反平行时,通过系统的自旋流是不同的,从而导致隧穿磁电阻效应（TMR）.随着偏电压增加,TMR减小,甚至出现负的TMR,文章利用Jullier模型对此给出物理解释.     

部分相干径向偏振光束在自由空间中的传输

基于2×2交叉谱密度矩阵的传输规律及部分相干光的相干与偏振的统一理论,研究了部分相干径向偏振光束在自由空间中的传输特性.理论分析和数值计算表明:部分相干径向偏振光束在传输过程中,其光强、斯托克斯参数及偏振度都会发生变化,光强由空心面包圈型逐渐变为实心,该现象与传输距离以及相干长度有关.同时在传输过程中,斯托克斯参数及偏振度的分布也与传输距离及相干长度有关,随着传输距离的增大,斯托克斯参数S1,S2的模值减小,偏振度随半径的分布曲线斜率逐渐降低,传输距离一定时,随着相干长度的增大,斯托克斯参数S1,S2的模值会随之增大,其有效分布区域向坐标轴收缩,偏振度随半径的分布曲线的斜率会随之增大.     

Electronic measurement and control of spin transport in silicon

The spin lifetime and diffusion length of electrons are transport parameters that define the scale of coherence in spintronic devices and circuits. As these parameters are many orders of magnitude larger in semiconductors than in metals, semiconductors could be the most suitable for spintronics. So far, spin transport has only been measured in direct-bandgap semiconductors or in combination with magnetic semiconductors, excluding a wide range of non-magnetic semiconductors with indirect bandgaps. Most notable in this group is silicon, Si, which (in addition to its market entrenchment in electronics) has long been predicted a superior semiconductor for spintronics with enhanced lifetime and transport length due to low spin-orbit scattering and lattice inversion symmetry. Despite this promise, a demonstration of coherent spin transport in Si has remained elusive, because most experiments focused on magnetoresistive devices; these methods fail because of a fundamental impedance mismatch between ferromagnetic metal and semiconductor, and measurements are obscured by other magnetoelectronic effects. Here we demonstrate conduction-band spin transport across 10 mum undoped Si in a device that operates by spin-dependent ballistic hot-electron filtering through ferromagnetic thin films for both spin injection and spin detection. As it is not based on magnetoresistance, the hot-electron spin injection and spin detection avoids impedance mismatch issues and prevents interference from parasitic effects. The clean collector current shows independent magnetic and electrical control of spin precession, and thus confirms spin coherent drift in the conduction band of silicon.     

空穴阻挡层BCP对掺杂型有机发光二极管中磁电导效应的影响

通过在器件复合发光区附近插入空穴阻挡层BCP,制备了一种具有非平衡传输性能的荧光染料掺杂型发光二极管,其结构为ITO／CuPc／NPB／NPB：DCM（5wt％）／BCP／Alq3／LiF／Al,并在不同温度和电压下测量了器件的注入电流随外加磁场的变化（即磁电导效应）．实验结果表现为：当磁场处在0～40mT时,该非平衡发光器件的磁电导随磁场的增加而迅速增大（即表现为快变的正磁电导效应）．这一实验现象与具有相对平衡传输性能的发光器件中所观测到的磁电导效应一致;当磁场大于40mT时,非平衡发光器件的磁电导随磁场的进一步增加表现为缓慢下降（即缓变的负磁电导效应成分）,而平衡器件的磁电导则变为继续缓慢增加（即为缓变的正磁电导效应）．本文对非平衡传输掺杂型发光器件的体系特征进行了讨论,并基于三重态激子-电荷（T-Q）反应受外加磁场的影响对上述实验现象进行了定性解释．     

多铁性异质结研究进展

多铁异质结中的磁电耦合效应是凝聚态物理和材料物理的研究热点之一.相比单相的多铁材料,多铁异质结中界面处的自旋、电荷、轨道以及晶格之间存在着复杂的相互作用,导致出现一些新的物理现象,使得其在新一代的存储器、传感器、微波等领域中具有重要的应用前景.文章介绍近年来在多铁异质结方向取得的进展,着重介绍实现电场对磁性控制的场效应、应变效应、交换偏置效应等,以及磁场对多铁性的调控,从而获得很大的磁电耦合效应;分析了多铁隧道结及其磁电耦合效应,其集成了传统铁电隧道结和铁磁隧道结的优势,可大幅度提高单个存储单元存储状态,从而提高存储密度.最后提出当前面临的问题和对未来的展望.     

尺寸和边界形貌对三角锯齿型石墨烯量子点的磁性影响

采用约束路径量子蒙特卡罗计算方法和基于密度泛函理论的第一性原理数值计算方法,研究了不同尺寸的规则三角锯齿型石墨烯量子点（ZZ）和边界重构后的三角锯齿型石墨烯量子点（ZZST）的磁学特性和电子结构特征．2种方法的计算结果均表明：在所有尺寸下的ZZ的基态均处于铁磁态;当边界重构后,除了尺寸很小的外,其他尺寸的基态均处于反铁磁态．通过Drool^3软件包计算费米能级附近的上下自旋电子态密度分布,发现ZZ在费米能级附近出现明显自旋向上和自旋向下的态密度分布的劈裂,边界重构后费米能级附近的自旋极化被弱化,表明不规则的边界对石墨烯量子点的磁性具有抑制作用．