关键词： 量子点   自旋过滤   自旋分离   Rashba自旋轨道耦合   自旋偏压   自旋积累  

摘要： 自旋电子学是一门新兴的交叉学科，其中心主题是通过操控载流子的自旋自由度或同时操控载流子的自旋和电荷两个自由度来实现信息的加工、处理和存储。同时，基于量子点自旋的固态量子计算被认为是最有应用前景的量子计算方案。本文用非平衡格林函数的方法研究了耦合量子点系统中电子的自旋极化输运现象。由于实验上已经可以生长量子点并且能够调节它的各种参数，理论和实验工作者长期以来都给予了这个研究领域极大的关注。它实现了人们追求“人造原子”和“人造分子”的设想，在量子输运理论和纳米加工技术相互验证和相互促进的过程中发挥了重要作用。　　本文的结构如下：第一章简要概述了半导体微结构的研究进展，以及自旋电子学研究的基本问题。第二章对量子点系统中的电子输运性质和自旋相关的物理特性做了详细介绍，包括Fano效应和自旋轨道耦合效应等，并且在本章的最后还介绍了本文所用的研究方法：格林函数法。　　在第三章中提出了双量子点的Aharonov-Bohm环状结构作为自旋过滤器。这个环状结构的量子点中存在Rashba自旋轨道耦合效应（RSOI），点与点之间存在着自旋相关的隧穿耦合，而且环中有磁通穿过。结果表明：通过适当调节由RSOI产生的自旋相关相位因子、磁通大小及自旋相关的量子点间耦合强度，电极中电导的自旋极化率可以达到100%或者无穷大，且自旋取向和大小都可由上述参数控制。在强的库仑相互作用下，这种自旋过滤效应会更明显。　　在第四章中提出了一个三端三量子点结构作为自旋分离器，它可以将自旋非极化的电子源中自旋向上和自旋向下的电子分别分离到不同的两个漏电极中。这种自旋分离的驱动力来源于加在漏上的自旋偏压，即自旋相关的化学势。可以通过调节化学势或量子点能级来使分离过程持续。根据量子点中自旋积累、自旋极化电流及电荷流可探测这种自旋分离过程。　　在第五章中研究了三端双量子点环中的自旋积累，发现在两个量子点中的自旋积累可以由外加电压、点间耦合强度及由RSOI产生的相位因子有效控制,更重要的是当外部的偏置电压分布不同时，自旋积累的性质也有很大不同。

关键词： 电导量子化   量子点接触   密度泛函理论   格林函数方法   扫描探测显微镜技术  

摘要： 介观系统就其尺度而言几乎是宏观的,而其表现又具有明显的量子特征,由于其具有丰富的物理特性而成为人们的研究热点。对介观体系的理论研究和实验研究主要集中在系统的输运性质上,表现为量子弹道输运和量子相干输运,常用的实验模型有量子点接触(quantum point contact,简写为QPC)、量子线(quantum wire,简写为QW)、量子点(quantum dot,简写为QD)等。介观系统中的电子在输运中保持“相位记忆”,因此导致了不寻常的量子干涉现象以及介观尺度范围内的量子化现象,其中最显著的量子现象是电导量子化效应,而0.7结构是介观物理中电导量子化效应的奇异现象。为了探求这些新奇现象的起因需要对介观器件内部结构以及其中电流、电荷分布进行深入的研究,实验中经常利用扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscope,简称SPM)探测被测系统内部的电荷分布、电流等物理量,来研究介观物理系统的内部结构与特性。 由于在实验中需引入SPM等外界的探测仪器,使这些仪器与被探测物理系统构成一个新的系统,从而导致探测结果与物理系统单独存在时的情况有所不同,我们采用了QPC模型,利用递归格林函数方法计算了Rashba自旋轨道耦合、磁场以及SPM的探针对QPC中电导的影响。计算结果表明:(1)将QPC分成M×N个格点,每一个格点位置分别以(m,n )来表示,无论SPM探针位置随电子输运方向(即n的取值)的变化还是随垂直于电子输运的方向( m的取值)的变化,QPC的电导都有明显变化。m的取值决定了对第几个电导台阶的影响, n的取值决定了对电导台阶影响的程度。当探针位于同一m值位置上时,沿着电子输运方向越靠近QPC中心对每一个电导台阶的影响都增大,而探针在垂直于电子输运方向上运动时对不同的电导量子化台阶产生影响。这些结果与Topinka等人的实验相吻合。(2)当存在较弱垂直磁场(垂直于量子点接触所处的二维电子气平面)时,随着磁场的增加QPC电导增幅随门电压的变化呈周期性增加并且遂穿通道传输模式增加。磁场越大同一门电压下电导增加的振幅越大,自旋轨道耦合引起的震荡变的越强,并使探针对电导的影响减小。随磁场的增加电导周期性增加,并且增幅随磁场的增加而变大,这与Shubnikov-de Haas效应是一致的。理论研究结果使磁场、SPM的探针对材料内部电荷分布及电子输运的影响更加清晰,为半导体材料器件的开发及新一代微电子器件的研制提供理论依据。

关键词： 单量子点   近藤效应   态密度  

摘要： 我们利用单杂质Anderson模型及运动方程等理论,通过求解格林函数的方法研究了通过T型量子点结构(耦合于铁磁电极和介观环量子点结构)的自旋极化输运过程.研究结果表明,与量子点相耦合的铁磁电极中的极化强度是控制量子点电子输运的重要参数,由此可以达到自旋阀效应.另外我们还发现与量子点相耦合的介观环中的磁通会影响电子自旋向上和自旋向下近藤共振峰的分裂程度,但若加入适当的外磁场,那么这样的分裂将被抵消。

关键词： 微波场   自旋偏压   电荷流   纯自旋流  

摘要： 采用非平衡态格林函数方法,研究了外磁场、微波场对自旋偏压驱动量子点输运特性的影响.数值结果表明:外磁场破坏量子点能级的自旋简并,相应自旋流的共振峰劈裂,电荷流不为零,不能获得纯自旋流;微波场作用下,量子点会有更多的隧穿通道,产生了许多的边带峰,特别是强微波场作用下多光子过程起了重要作用.

关键词： 电子-电子相互作用   电子-声子相互作用   Rashba自旋轨道耦合   量子点   量子环   输运  

摘要： 本论文根据正则变换和非平衡格林函数方法,考虑电子-声子相互作用,对量子环(其中一臂嵌入一个量子点)的输运性质进行了研究。主要考虑电子-电子、电子-声子相互作用以及Rashba自旋轨道耦合对输运性质的影响。结果表明: 1.声子的出现对电导性质的影响非常明显。由于电子-声子相互作用,出现了新的声子峰;主峰的位置也发生了移动,其高度和宽度都明显减小。这些声子峰的位置由声子的频率决定。随着电子-声子耦合强度的增加,声子峰的数量和高度增加。 2.由于量子环的一个臂中嵌入了量子点,电子从左边电极通过不同的隧穿路径到达右边电极,发生了量子干涉,出现了Fano效应。考虑了电子-声子相互作用后,Fano共振随着电子-声子耦合强度的加强而减弱。Rashba自旋轨道耦合可以使Fano共振消失,也可以产生反Fano共振。 3.电子-声子相互作用和Rashba自旋轨道耦合都对自旋极化有强烈的影响。电子-声子相互作用减小自旋极化,Rashba自旋轨道耦合能增大自旋极化。 4.由于电子-电子相互作用,电导随量子点能量变化时,出现一个库仑共振峰,电导随偏压变化时,出现两个库仑共振峰,并且峰的位置随不同的量子点能量发生变化。

关键词： 自旋轨道耦合   介观环   量子输运   散粒噪声  

摘要： 本文主要研究了在介观系统下的圆环中的量子输运性质,分别考虑了存在磁场, Rashba自旋轨道耦合和Dresselhuas自旋轨道耦合作用下的介观环的散粒噪声和电导等输运特性。 首先,第一章简单介绍了自旋电子学的主要内容和发展历史,并讨论了固体材料和器件中Rashba自旋轨道耦合和Dresselhuas自旋轨道耦合哈密顿量的物理形式,以及散粒噪声的起源。 在第二章基于Aharonov-Bohm效应,考虑加入磁场,建立介观环的模型,并根据Griffth边界条件建立了相应的方程组;然后求解了电子通过量子环的散射问题,得到透射概率和反射概率,并讨论此种情况下的电导和散粒噪声的随磁通和圆环出射位置的变化。接着,在第三章我们主要讨论了圆环存在Rashba自旋轨道耦合情形下的电导和散粒噪声,采用数值分析讨论了电导和散粒噪声随Rashba自旋轨道耦合强度、电子的入射波矢、以及出射引线的位置等因素的变化;同时还分析了Fano因子,本章最后还特别分析了圆环对称出射的情形。最后一章讨论了圆环中只存在Dresselhuas自旋轨道耦合下的输运性质,利用相同的条件求得了电导和散粒噪声,主要分析电导和散粒噪声随AC相位、电子入射波矢、出射引线的位置等因素的具体情形,最后分析了表示系统的电子之间的相互关联的Fano因子,同时也分析了圆环对称出射的情形。通过对圆环系统的散粒噪声的研究,对介观环的输运性能有了更深刻的了解,对实际的应用中也具有指导意义。

关键词： 量子输运   非平衡格林函数   Gaussian   Gamess(US)   石墨烯条带  

摘要： 本文主要描述了第一性原理计算输运问题的算法细节和对石墨烯条带纳米电子器件的模拟结果。本文采用的计算方法是非平衡态格林函数与密度泛函(NEGF-DFT)。文章主要分为如下几部分：第一章主要介绍石墨纳米电子器件的学术与应用背景。其中将总结和阐述石墨的最新理论与实验上的进展,以及人们在该领域关心的问题和解决问题的困难。第二章给出使用NEGF-DFT方法的公式和算法细节,其中包括开放体系广义哈密顿矩阵的定义、基于广义哈密顿矩阵的推迟格林函数矩阵定义、Landauer-Butiker电流公式、以及能量空间态密度(DOS)和局域态密度(LDOS)的计算方法。计算中使用的围道积分算法和自恰循环流程也将在这一章给出。最后,以宽度为4的石墨烯条带作为例子,锯齿型边界的石墨烯条带的输运计算结果将在第三章中给出。在这一章中,讨论将集中在由外电场导致的最高占据态(HOMO)和最低未占据态(LUMO)轨道的重新分布,即纳米尺度上的电极化效应——该效应是调制石墨烯结电子输运性质的一个可能的机制。在本文中,我们将集中讨论石墨烯条带的散射区分子结构对其外电场响应的影响。这种由电极化效应引起的开关效应非常敏感,其Ⅰ-Ⅴ性质的开关比例非常可观。这就使石墨烯条带成为一种非常可能的未来纳米电子器件的备选材料。另外,通过对深能级的高精度计算,本文对NEGF-DFT计算石墨烯条带常见的透射谱的“坏点”给出了解释。本文的计算表明,在许多研究结果中广泛出现的“坏点”并不是由计算误差导致的：这些“坏点”与导线的能带结构密切相关。

关键词： 掺K碳纳米管   磷化物纳米管   ZnO纳米线   密度泛函   第一性原理  

摘要： 本文基于密度泛函原理(DFT)分别对掺杂K原子的碳纳米管,Ⅲ-P磷化物纳米管(BP、AlP和GaP),以及吸附CO的ZnO纳米线进行了第一性原理的计算研究。碳纳米管掺杂K原子后结构有微小变形,与K原子之间出现电荷转移,费米能级提高,禁带宽度减小,且与掺杂位置和掺杂浓度有关；A1P和GaP锯齿型纳米管多为直接带隙,扶手椅型纳米管为间接带隙,而BP纳米管多为直接带隙,三种化合物纳米管的禁带宽度均随着管径的增加而增大,通过指数函数拟合可知A1P(n n)型纳米管的带隙趋近于2.195ev；ZnO纳米线在吸附CO气体时,化学吸附与物理吸附同时存在,当C原子靠近纳米线时,ZnO纳米线与CO之间为化学吸附,会对ZnO纳米线的导电特性产生影响。

关键词： 石墨烯纳米带   分子器件   电子输运性质   电流比   量子化学研究  

摘要： 本论文核心内容主要包含以下两部分： 1.二维石墨烯的输运性质及六方haeckelite缺陷的影响 通过第一性原理计算方法,系统地研究了二维石墨烯的电子输运性质。结果表明：不管是在椅型还是锯齿型方向上,二维石墨烯的输运性质均不同于石墨烯纳米带。二维石墨烯沿椅型方向的电子输运性质呈半导体特性,而在椅型石墨烯纳米带中,如果其dimer line值N满足N=3p-1,p是整数,则此椅型石墨烯纳米带呈导体特性,否则为半导体；二维石墨烯沿锯齿型方向的电子输性质都呈导体特性,其I-V曲线表现出明显的线性关系,而在锯齿型石墨烯纳米带中,如果其zigzag line值R是偶数,则此锯齿型石墨烯纳米带在低偏压下会出现电流压制现象。二维石墨烯椅型与锯齿型方向输运性质的不同以及六方haeckelite缺陷的引入导致二维缺陷石墨烯出现了几种不同类型的I-V曲线,产生这种现象的原因是：六方haeckelite缺陷不但能够阻碍电子的输运,而且其在费米能级附近引入的缺陷带也有可能为电子提供输运通道。 2.C60耦合碳纳米管双电极体系的输运性质与机理通过应用非平衡格林函数与密度泛函理论相结合的方法,研究了C60耦合碳纳米管双电极体系，CNT-C60-CNT的电子输运性质。作为对比,也给出了Li-C60-Li体系的I-V曲线。结果显示,CNT-C60-CNT和Li-C60-Li体系的电子输运性质完全不同。在Li-C60-Li体系中,其I-V曲线呈明显的线性关系；而在CNT-C60-CNT体系中,其I-V曲线呈非线性关系,且观察到了负微分电阻现象。通过探索CNT-C60-CNT的电流随偏压变化的机理发现：在CNT-C60-CNT中,电导、前线分子轨道的能级高低、HOMO与LUMO的能级差以及分子轨道与电极耦合的好坏都对分子器件的输运性质起着非常重要的作用。

关键词： 电声相互作用   库仑相互作用   AB干涉仪   非平衡格林函数   微分电导  

摘要： 随着纳米技术的迅速发展,生产超小电子器件成为可能,因此量子干涉效应在电子器件中起着非常重要的作用。为了研究电子波的相位相干性,AB干涉仪成功地把AB效应应用到量子器件中,并用之观察到了与电子相位相干性有关Fano效应。电声相互作用对量子相干性有着非常大的影响,很容易使得相干性丢失。 本文运用非平衡格林函数方法研究AB干涉仪的量子输运问题,同时考虑量子点中的电子库仑作用和电子一声子相互作用,研究它们的竞争对量子输运特性及电子相干性的影响。本文首先简单地回顾一些介观物理中重要的概念如量子点、AB效应及应用以及Fano效应。接下来介绍了电声相互作用在理论和实验上相关的研究背景、发展动态和处理方法,也对本文所采用的理论工具非平衡格林函数的概念、常用到的定理、方程、性质进行了介绍。最后,在Aharonov-Bohm环上包含一个量子点的系统中,我们研究电声相互作用和电子间的库仑相互作用对Fano共振、Breit-Wigner共振隧穿输运特性的影响,采用非平衡格林函数的方法获得计算电流的表达式,发现在Fano共振中当电声相互作用大于库仑作用时,由于干涉效应会出现负微分电导特性；而在Breit-Wigner共振中,正的有效库仑作用U使的主峰宽度变窄,负的有效库仑作用U使主峰变宽,当电声相互作用大于库仑作用时,不再出现负的微分电导。