半导体和碳单层纳米结构中的电子输运和光吸收

【摘要】随着现代科学技术的迅速发展,电子器件的尺寸已经可以减小到纳米量级。在这些纳米器件中,量子效应变得非常显著,这使得它们有很多独特的性能,并在多个领域有广泛的应用前景,因此吸引很多研究者的兴趣。人们发现,在这些小尺寸系统中,利用自旋自由度传输信号比电荷更有优势,因为自旋的退相干时间比较长,能耗较低。与自旋相类似的是新兴碳基材料碳单层*中的谷自由度,利用谷来传输信号也能保持一段很长的距离。在本论文中,我们研究传统半导体量子点,碳单层量子点,以及碳单层条带等纳米结构中的电子输运性质,其中在半导体量子点中主要关注自旋极化的电子输运,在碳单层量子点关注电子的偶极跃迁,而在碳单层条带中关注谷极化的电子输运。我们发现许多新奇的结果。这些结果对未来设计功耗更低,运行速度更快的电子器件提供很好的依据。本篇论文的详细安排如下：在第一章中,我们先简单地介绍半导体量子点、碳单层材料及碳单层量子点的一些基本性质,其次描述本篇论文中所用到的理论方法。在第二章中,我们研究一个半导体量子点与具有不同温度的正常金属电极和铁磁电极相连接的系统中的自旋极化输运。利用主方程方法我们发现,在这样一个系统中热电流的自旋极化有整流的效果：在正的温度偏压下,电流极化有一个非零的平台,而在负的温度偏压下,电流是自旋非极化的。另外,我们发现,通过调节量子点上的门电压,电流的极化表现出自旋阀的效应,即出现一段极化为零的区域,而且这个零区域的范围由Coulomb作用和温度偏压共同决定。在第三章中,我们理论上建议一个由级联耦合的双量子点和两个正常金属电极相连接的单极型自旋整流管,其中两个电极具有不同的温度,而两个量子点有不同的Zeeman劈裂。利用主方程方法我们发现,在调节电极温度差或者量子点门电压的情况下,系统中的电流能够从0变到100%极化。这个特殊的性质来源于量子点内强的Coulomb关联,两个量子点中不同Zeeman劈裂导致的不对称的能级分布,以及两个电极中不同温度所导致的不同的Fermi分布,这三者的共同作用。接着,利用两个单极型的自旋整流管,我们设计一个双极型的自旋整流管。我们所建议的这些装置可能会为将来逻辑电路甚至磁头的设计提供理论依据。在第四章中,我们用紧束缚方法研究单轴应变对三角锯齿型碳单层量子点电子结构和光吸收性质的调制。对称性的分析能够很好地描述应变施加前后量子点的电子结构和光吸收性质。我们观察到,随着单轴拉伸或者压缩应变的增大,光谱上有吸收峰的红移或者蓝移现象出现,这表明发生应变的三角锯齿型碳单层量子点能够用来作应变传感器。我们也考虑量子点的尺寸对传感器灵敏度的影响,以及证实其功能不受单个空位缺陷的影响。另一方面,在发生应变的点上加门电压使其Fermi能偏离零点,我们就可以在这个系统的光谱上观察到很明显的远红外吸收峰,这意味着可以利用发生应变的碳单层量子点来实现远红外光探测器。在第五章中,我们研究由均匀的单轴应变和线极化光共同调制下碳单层中谷相关的电子输运性质。利用Floquet定理,我们计算两个谷的透射几率和电导。我们发现,只有两种调制共存时,谷极化才能出现。当样品处在一个合适的拉伸状态下,光强和光频率二次方的比值很重要。若这个量比较小,电子输运主要由谷对称的中心带贡献,电导是谷非极化的；若这个量比较大,谷不对称的边带也会参与电子输运,电导能够出现谷极化。极化的强度可以通过应变的能量、光的强度和频率来调节。我们也建议利用谷束的劈裂来实现谷极化的探测。所以,碳单层能够用作应变和线极化光共同操控的谷过滤器。在最后一章中,我们对本篇论文作一个总结,并对未来要开展的工作进行展望。
【作者】戚凤华；
【导师】金国钧；
【作者基本信息】南京大学，理论物理，2014，博士
【关键词】半导体量子点；碳单层量子点；碳单层条带；自旋极化；谷极化；光吸收；温度偏压；单轴应变；线极化光；

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