III族氮化物半导体异质结构中载流子的量子输运和自旋性质

III族氮化物半导体具有宽的直接带隙,很强的极化电场,优异的物理特性,是发展高频、高温、高功率电子器件和光电子器件的优选材料．同时,III族氮化物半导体有很长的电子自旋弛豫时间以及很高的居里温度,也成为近年来半导体自旋电子学研究的重要材料体系之一．本文介绍了用量子输运和自旋光电流方法对Gain基异质结构中载流子的量子输运和自旋性质的研究进展．对III族氮化物半导体中的能带结构,子带占据和散射,自旋分裂及自旋轨道耦合机制等进行了讨论．     

有机高聚物中高能载流子自旋极化研究

利用SSH模型,考虑自旋轨道耦合相互作用,研究了在一维有机半导体中注入电子到高能级时载流子自旋极化情况;同时,作为有机半导体的重要特性,通过研究电声耦合对自旋极化的影响,发现随着电子注入能量的增高,体系的自旋极化呈整体下降的趋势.     

量子点体系中自旋过滤、自旋流产生和自旋注入

自旋电子学是一门新兴的交叉学科,其中心主题就是对固体电子系统中电子的自旋自由度进行有效地操作和控制.量子点体系中的自旋效应近期受到了理论和实验较多的关注.本文着重介绍了自旋轨道耦合效应对量子点体系输运性质的影响,探讨了怎样利用自旋轨道耦合效应来实现对自旋的有效过滤和纯自旋流产生.基于四铁磁端双量子点体系中电子的交换相互作用机制,指出了一种可以显著提高从铁磁金属到半导体量子点自旋注入效率的新方法.     

强调制的自旋透射结构研究

由于在低维纳米尺度的体系中,自旋在一些性能上比电荷更优越,例如低能耗,退相干时间长等,由此利用自旋自由度来设计电子器件成为当前研究热点之一.其中许多工作集中到利用外电场经由Rashba自旋轨道耦合来控制半导体装置中的电流调制上.     

贵金属/半导体异质结中的光致自旋电流效应研究

自旋电子材料因能同时对电子的自旋和电荷两个自由度实施操控,在构筑以低功耗、超高速、大容量和超宽带为特征的新一代信息处理技术中展现出巨大的应用潜力.然而,通过掺杂过渡金属元素和稀土离子而形成的传统稀磁半导体和钙钛矿锰氧化物往往因结构缺陷导致的居里温度不高、自旋磁矩和自旋极化率偏低等不足,阻碍了自旋电子材料的商业化应用.近年来,在高纯半导体上沉积贵金属薄膜所形成的贵金属/半导体异质结中,通过使用偏振光激发该类异质结可产生纯自旋电流.这种基于逆自旋霍尔效应(ISHE)、可在室温下运行的、非接触和非破坏型的自旋极化激励方法理论上可获得高于50%自旋极化率,引起了人们的广泛关注.文章主要介绍光致自旋电流形成机制和测试方法,以及入射光圆偏振度、光强、入射角度等参数对光致自旋注入效率的调控机理,介绍杂质介导和声子介导对光致自旋输运的贡献,最后提出增强光致自旋电子极化率的可行方案,可为揭示自旋载流子产生、注入和输运相关的自旋动力学核心科学问题以及研制高性能自旋电子器件提供有益的参考.     

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.     

正交电场作用型自旋场效应管的自旋极化控制

研究了电场调控型自旋场效应管的量子输运过程.该场效应管主要由双正交电场和Rashba自旋轨道耦合共同调制.运用散射矩阵方法并结合介观体系的相关输运理论,揭示了自旋场效应管在各参数调控下的自旋量子输运过程,其自旋输运规律可由相关理论给予解释.数值计算表明,与平行电场相比,对于自旋轨道耦合型自旋场效应管的量子输运,垂直电场的调制能够导致更加明显的自旋翻转.     

自旋轨道耦合对铁磁/半导体/绝缘体多层膜结构中隧穿性质的影响

利用传递矩阵方法,计算了自旋轨道耦合对铁磁/半导体/绝缘体多层膜结构中隧穿性质的影响.结果表明,当半导体和铁磁体之间是绝缘接触时,体系的输运性质发生明显改变,同时出现了自旋反转效应.     

介观环中有Dresselhause自旋-轨道耦合效应的持续自旋流

在介观半导体环中,自旋-轨道耦合的存在直接影响持续自旋流的流动.作为自旋分裂的结果,持续自旋流并不与电荷流成一定的比例.我们研究有Dresselhaus自旋-轨道相互作用存在的介观半导体环中持续自旋流的性质.     

电子自旋弛豫机理研究

确定电子自旋稳定性的最重要的性质是自旋弛豫时间,文中介绍了DP、EY、BAP等三种重要的自旋弛豫机制以及它们的实验进展,为室温下可以使用的自旋电子器件设计提供了重要依据.     

铁磁半导体/半导体/铁磁半导体异质结中光子辅助量子输运特性

基于有效质量近似和Floquet理论,考虑自旋-轨道耦合和外场驱动作用下,研究铁磁半导体/半导体/铁磁半导体异质结中的量子输运特性.结果表明自旋-轨道相互作用不仅使自旋发生翻转,而且束缚态能级发生劈裂,从而使电导率中出现两个Fano共振峰.势阱两边的磁化强度以及两边磁化强度之间的夹角对自旋翻转和共振位置具有调制作用.     

Rashba自旋轨道耦合对NM/FS/I/FS/NM双自旋过滤隧道结中自旋相关输运的影响

基于转移矩阵方法和量子相干输运理论,研究了含两铁磁半导体层的双自旋过滤磁性隧道结(NM/FS/I/FS/NM,NM表示非磁金属,FS表示铁磁半导体,I表示绝缘层)中的Rashba自旋轨道耦合与自旋相关隧穿现象和隧穿磁电阻(TMR)效应之间的关系.研究结果表明:当左右两FS层的Rashba自旋轨道耦合强度相等时可得到最大的正TMR,而不等时可得到大的负TMR;在绝缘层厚度达到一定值后,双自旋过滤结可以获得稳定TMR,其正负和两FS层Rashba自旋轨道耦合强度的相对大小有关.     

铁磁/半导体/铁磁异质结中电子的自旋翻转及磁电阻效应

考虑半导体中自旋轨道耦合作用的自旋翻转效应及铁磁半导体边界处的界面势垒作用,研究了自旋极化电子在准一维铁磁/半导体/铁磁(F/S/F)异质结中的输运行为.数值结果表明,随着界面势垒的增大能够实现电子自旋的翻转.随着两边铁磁体磁化方向夹角的变化,磁电阻在夹角为π处出现正负转变,而且磁电阻正负值的绝对值关于夹角π不对称,这些现象均起源于Rashba自旋轨道耦合作用而不是Dresselhaus自旋轨道耦合作用.与Dresselhaus自旋轨道耦合作用相比,Rashba自旋轨道耦合作用更能增大磁电阻效应.     

半导体自旋电子学中的自旋流——自旋电子学前沿探索之一

本文简要地回顾了半导体自旋电子学中自旋流在自旋轨道耦合系统中的导出,指出其存在争议的问题．随后分析了近年来对自旋流定义的讨论,包括自旋密度,自旋流算符,流守恒方程等的各种修正,最后列举了一些暂时避开自旋流定义去讨论物理过程的技巧。     

三终端量子点环中的自旋极化输运

利用非平衡态格林函数方法,研究了一个存在局域Rashba自旋轨道耦合作用的三电极量子点环结构中的电子输运性质.结果发现,Rashba自旋轨道耦合作用引起的自旋相关的量子干涉效应能够在电极中产生自旋流.这种自旋流的大小、方向以及自旋极化度等性质可以通过纯电学手段改变系统参数来加以调控.在适当选择这些参数时,电极中甚至可以产生完全自旋极化流或纯自旋流.这些效应说明我们所研究的系统可用来设计纯电学的自旋流产生装置.     

四端介观量子网络中电子自旋的相干输运性质

采用解线性方程组的方法,研究了存在磁通时,四端介观量子网络中电子自旋的相干输运性质。该四端网络由具有Rashba自旋-轨道耦合互作用的量子线构成,数值计算了自旋电导对约化磁通和自旋-轨道耦合强度的依赖关系。计算结果表明:该网络中的自旋相干输运性质由约化磁通和Rashba自旋-轨道耦合之间的相互作用共同决定。这种结构中,一些端可以作为栅极控制其他端的自旋流,该四端多通道网络结构为调控电子自旋的相干输运提供了更多的选择。     

GaAs中电子自旋极化的浓度依赖研究

采用时间分辨圆偏振光抽运-探测光谱,研究本征GaAs中导带底附近电子初始自旋极化和自旋弛豫动力学.发现电子初始自旋极化度小于通常认为的0.5,并随光注入载流子浓度的增大而减小.假设右旋圆偏振光激发到导带的自旋取向,向上与向下电子浓度之比为13,理论计算的电子初始自旋极化度随载流子浓度变化关系与实验结果很好的符合.计算结果同时表明,带隙重整化效应对电子初始自旋极化度有较大影响,但电子初始自旋极化度小于0.5的现象并非起源于带隙重整化效应.     

自旋轨道耦合与自旋霍尔效应?

从巨磁阻效应正式拉开自旋电子学的序幕开始,如何控制和操纵电子的自旋自由度在学术界和工业界掀起了巨大的研究浪潮,如何产生并测量自旋流也是自旋电子学面临的重大挑战.自旋轨道耦合为自旋电子学提供了利用全电学来控制自旋的物理基础,由自旋轨道耦合引起的自旋霍尔效应则为自旋电子学提供了产生较大纯自旋流的方法.本文从1879年Edwin Hall发现的那个迷人的效应谈起,同时从自旋轨道耦合的起源来认识自旋霍尔效应,进一步探讨了如何利用其逆效应来探测自旋霍尔效应及自旋流,并简单总结了与自旋霍尔效应相关的部分新效应及新应用.     

半导体中纯自旋流的探测

自旋电子学是利用电子的自旋而非电子的电荷作为信息载体而发展的物理和电子器件研究的分支领域.半导体中自旋流的测量在自旋电子学中起关键作用.本文从自旋流的基本性质出发,简要回顾了目前国际上探测自旋流的实验手段,以及作者最近提出的有关自旋流的光学效应和以此直接测量半导体中纯自旋流的理论.     

杂质散射对具有Rashba自旋轨道耦合2维电子系统的自旋霍耳效应影响

在具有Rashba自旋轨道耦合的2维电子系统中,外加电场会产生一个垂直于电场的自旋霍耳电流,这个效应称之为自旋霍耳效应.该文主要分析的是在考虑杂质散射的情况下,通过对具有Rashba自旋轨道耦合的2维电子系统的哈密顿量的求解,得到它在z方向的自旋分量是收敛的,同时得到了自旋霍耳电导率不普适.这不同于S inova等人所提出的在具有Rashba自旋轨道耦合的2维电子系统自旋霍耳电导率是普适的结论.