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： 介观物理   量子台球   量子输运   庞加莱截面   相空间,环形弹子球  

摘要： 随着光刻技术与晶体生长技术的日渐成熟,制作小尺度、任意形状的量子台球体系成为可能。特别是近二十年来,由于半导体材料的技术和工艺水平的迅速发展使得半导体纳米结构成为研究在微结中电子传导的理想模型。这种材料由包含高速运动的电子的薄层半导体(异质结)构成。垂直于层方向的运动是量子化的,所以电子的运动被局限在平面内。作为理论模型,这种系统被认为是二维电子气体系(量子台球体系),与薄金属膜相比,它具有较低的电子密度,可以随外加电场的变化而变化。在低温条件下,这种低的电子密度意味着有大的费米波长(可以达到40nm)和大的电子平均自由程(可以达到10μm),这样电子间的相互作用可以忽略,而电子与杂质粒子之间的碰撞作用影响甚微,电子可以看做是经典粒子,所以在量子台球中研究量子输运性质非常方便。二维量子台球体系的性质与边界的形状密切相关,改变体系的几何形状可以很方便的控制体系中粒子的运动情况。例如,圆形,正方形,椭圆量子台球体系是可积体系,粒子在这些体系中的运动为规则运动。当体系的几何形状变为Sinai型台球,体育场型甚至是心脏线型时,体系变为不可积,粒子的运动呈现混沌特征。另外,当体系加上外加磁场以后,体系的运动性质也会发生很大变化,研究表明:当加上均匀磁场后粒子的运动轨迹如果与体系的几何形状不相耦合时,体系的性质也会变得混沌。基于此,量子台球体系成为人们研究BEC(波色爱因斯坦凝聚)、测定磁导率以及输运体系动力学性质的理想模型。 对于不可积体系,问题一般无法得到解析解,而能通过数值计算的方法求得薛定谔方程的数值解,人们已经发展了许多数值求解的方法如:有限差分法、基矢展开法、定态展方法、Bsplines法……,然而数值方法需要大量的数据点和参数,而且由于算法复杂,一般只能得到近似解,因此量子混沌的研究至今未能顺利得到广泛开展。 从1970年Sinai首先利用经典力学的方法研究了Sinai量子台球各态历经混沌性质和横向叶脉性质,然后Bunimovich等人又利用微扰理论从直觉上解释了体育场型量子台球的性质,在1977年,Berry等人利用统计的方法研究了量子台球的混沌性.并利用Berry-Kubo公式方法,定态展开方法以及拓扑方法等研究量子台球的性质。1986年,杜孟利和Delos等人在研究外Rydberg原子在强电磁场中光吸收谱时基于Gutzwiller态密度迹公式的基础上提出了闭合轨道理论为研究经典物理与量子力学的对应关系提供了理论基础,被称为是联系经典世界与量子世界的唯一桥梁也为研究量子台球性质提供新的有用的理论方法。Delos小组利用S矩阵方法研究了导线接口处圆形量子微腔的传输问题,认为微结中的电导涨落是由于沿着连接不同导线间的经典轨迹的波的相干导致的并考虑了电子波的衍射效应。Christopher Stampfer小组利用赝路径半经典近似和衍射散射的Dyson方程研究量子台球体系的传输问题,解决了在导线出口和入口处的尖角效应。为理论工作者提供有用的物理基础,具有重要的理论意义。 量子力学诞生以来,其方法和计算技术已经成为原子和分子体系中精确计算的强大工具。量子计算结果和实验测量结果的精确符合消除了人们对量子力学基本概念的任何质疑,直到今天量子力学仍然是人们解决微观体系的精确理论。但是在应用量子力学的方法解决多维不可积体系时需要进行大量的数值计算(虽然可以通过选取合适的基矢改进本征值计算,对角化哈密顿量需要的计算量通常十分庞大),而这些数值计算的结果对于我们了解体系动力学性质的作用甚微。相反,半经典方法可以很好的解释实验上或应用量子力学方法计算得到的数据,这种解释方法对于我们了解体系的动力学性质以及探索新的发展方向起到了重要的作用。因而量子力学和经典力学的对应关系一直是人们十分感兴趣研究问题,了解这种对应关系对人们更深刻的理解自然的本质有着重要的意义。量子力学与经典物理的对应关系经历了从量子力学诞生之初,Planck和Einstein对黑体辐射与经典物理不统一的困惑到Heisenberg提出用量子力学的方法理解经典力学的方法,再到Schr?dinger建立Schr?dinger方程建立了完成的量子力学体系。再到后来Gutzwiller发展的半经典方法和***提出的半经典闭合轨道理论以及谱函数方法以及Wigner提出的量子力学相空间理论的飞跃过程。但是由于Heisenberg的测不准关系的限制,量子力学相空间图像不是唯一的。这种不唯一性主要表现在所使用的数学函数或算符具有一定的任意性,这就是量子力学相空间图像的一大缺陷。因此,探索新的有效的相空间的描述一直是人们长期追求的目标。 论文共分四章。第一章为综述,主要从总体上介绍介观物理,量子台球体系的性质背景,介观物理中的基本概念,我们所选课

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： 自旋轨道耦合   格林函数   双弯量子线   T型石墨纳米带  

摘要： 自旋电子学是研究在固态体系中有效操控电子自旋的一门新兴学科。准一维量子体系(如量子线,石墨纳米带)的自旋输运性质的研究是自旋电子学中一个非常重要的研究热点。基于格林函数方法,本文研究了半导体量子线和石墨纳米带的自旋输运性质。讨论了操控自旋极化电子的有效方法,希望能够为设计和实现具有优良性能的自旋电子学器件提供物理模型和理论依据。 全文共分四章,第一章主要介绍了量子体系,重点是量子现象及一些典型的自旋设备。 第二章主要介绍了格林函数方法。包括全格林函数方法和递归格林函数方法,该方法能够方便的处理磁场和电场,以及各种具有不规则几何形状的准一维体系。 第三章我们研究了半导体双弯量子线中的自旋电子输运性质。研究结果表明当自旋轨道耦合和磁场存在于两条右弯角量子线的结合处,自旋极化效果最为显著。自旋轨道耦合和磁场对自旋输运有显著的影响。通过调节自旋轨道耦合和外加磁场,自旋极化的幅值能够从0变化到100%。此外,我们也讨论了几何尺寸对自旋极化的影响。 在第四章中,我们研究了T型石墨纳米带中的自旋电子输运性质。结果表明自旋电导谱中存在许多谷。费米能附近电导谱中的一对谷是由于边缘态被破坏而形成的,而离费米较远的谷是由于电子被局域在边臂中形成的。这些谷的位置能够通过调节势垒控制,相应的自旋极化也能够被控制。另外,我们也研究电导随节的高度的变化。 第五章我们对本论文的工作进行简单的总结,并对自旋电子学领域的前景做了简要的展望。

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： 分子印迹技术   化学发光   对硝基酚   纳米量子点  

摘要： 分子印迹聚合物(MIP)是通过化学手段人工合成的高分子仿生材料,它是将功能单体在模板分子(目标分子,又称印迹分子)的存在下交联聚合,然后洗脱除去模板分子。这样制得的聚合物,在立体空穴和作用位点上与模板分子具有互补的结构,又具有模板分子可回收重复使用的优点,因此在分子识别中有着特殊的选择性和良好的应用前景。本论文中我们使用不同的分子印迹合成手段合成分子印迹聚合物,对环境样品中的痕量对硝基酚进行富集分离,然后与化学发光等分析手段对富集的对硝基酚进行测定分析。主要工作及研究如下： 1.首先综述了分子印迹的发展史、分子印迹的基本原理以及制备方法,然后总结了分子印迹技术的优缺点,并对其未来的发展做出了展望。 2.合成了不同种类的锰掺杂硫化锌量子点并将它们应用到高碘酸钠-双氧水的化学发光体系中,研究了不同种类的纳米量子点对化学发光体系的影响。实验结果表明,纳米量子点的尺寸效用,表面是否存在壳的保护以及表面稳定剂的类型都会影响其对化学发光体系的作用。同时还用高能量截止滤光片对化学发光光谱进行了研究和分析,对该体系的化学发光机理做出合理的推测。 3.分子印迹技术是在复杂样品中分离目标分子的一项令人满意的技术。基于锰掺杂的硫化锌量子点合成了以对硝基酚为模板分子的表面分子印迹聚合物,该分子印迹聚合物对模板分子对硝基酚有着选择性的荧光响应。将合成的表面分子印迹聚合物应用到高碘酸钠-双氧水化学发光体系中,结合了分子印迹聚合物的高选择性与化学发光的高灵敏度。该化学发光方法的线性范围为0.1-40μM而检出限为76nM。该方法应用于实际样品分析中,回收率在91%-96%之间。 4.采用本体聚合和表面印迹的两种方法分别合成了分子印迹聚合物,并对其性质进行了表征。通过静态吸附实验,测定了分子印迹聚合物的吸附曲线以及吸附动力学。通过对实验数据的对比,我们发现表面分子印迹聚合物相对于本体印迹聚合物具有传质效率快,非特异性吸附小等优点。

关键词： 碳纳米管   硫化物   硒化镉   非共价修饰  

摘要： 碳纳米管自从被发现以来,其特殊的结构以及独特的光学、电学、机械和化学性能引起人们的极大关注,所以近年来对碳纳米管的研究掀起了一股热潮。为了进一步优化碳纳米管的性质和拓展其潜在应用范围,人们对碳纳米管进行各种表面修饰,获得了各种性能优越的碳纳米管基纳米复合材料,在光学、电学、催化等领域展示了广阔的应用前景。量子点具有比传统的有机荧光染料更为优越的性能。它们因具有尺寸可调的光学性质和高的荧光量子产率而成为用于制备发光二极管、激光器和生物荧光标记物的新颖理想的光学材料。本论文采用非共价方法在碳纳米管表面原位修饰了金属硫化物和硒化镉纳米粒子,将碳纳米管和量子点结合起来,获得了新型的纳米复合材料,并对这些材料进行了一系列的表征和性质研究。全文共三章。 第一章概述了碳纳米管的结构、性质和应用前景以及量子点的性质和应用,并提出了本论文的研究设想。 第二章通过在碳纳米管的表面上利用层层自组装的方法非共价修饰了十二烷基硫酸钠(SDS)和壳聚糖,并以这个体系为模板在碳纳米管表面上原位合成了ZnS,CdS,Ag2S和PbS等金属硫化物纳米粒子,从而制备了一系列碳纳米管/SDS/壳聚糖/硫化物纳米复合材料。采用XRD、TEM、FTIR光谱、紫外可见吸收光谱对这类纳米复合材料进行表征。结果表明,在修饰了十二烷基硫酸钠和壳聚糖的情况下,硫化物纳米粒子能够均匀地修饰在碳纳米管表面,而且纳米粒子的粒径较为均一。这一章中还探讨了反应物浓度对产物形貌的影响。所得的碳纳米管/SDS/壳聚糖/硫化物纳米复合材料可能在非线性光学领域存在潜在的应用前景。 第三章采用“绿色化学”方法,在优化条件下制备了硒化镉(CdSe)量子点。TEM、XRD、紫外可见吸收光谱及荧光光谱对产物的研究结果表明,所得硒化镉量子点具有良好的均一性和单分散性,且荧光性能良好,在紫外灯照射下能发射稳定的绿色荧光。本章在成功制备硒化镉(CdSe)量子点基础上,创新性地在制备硒化镉量子点的过程中,通过原位加入经过稀酸处理过的碳纳米管,在不需要其他表面活性剂和偶联剂的条件下,成功地制备了碳纳米管/硒化镉量子点纳米复合材料。研究了反应物浓度和反应时间对所得材料的形貌和光学性质的影响,发现反应时间为15分钟和前驱体的投料浓度为1.0 mmol/L可作为纳米复合材料制备的最优条件。在该条件下,尺寸均一的硒化镉纳米粒子能够均匀地原位修饰在碳纳米管表面上,同时所得纳米复合材料具有良好的荧光性能。该纳米复合材料可能具有更为新颖的光、电性质,有望用于制备具有优良光、电和机械性能的纳米复合器件。

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： Floquet定理   准能   Concurrence   纠缠度量  

摘要： 本文根据量子点系统在外场驱动下的物理特性,以耦合量子点系统中的电子空穴为研究对象,研究了此系统的动力学性质和相干吸收谱线。通过理论计算和分析得到驱动外场与系统的动力学性质和光学性质间的关系。 本文内容具体安排如下： (一)首先对量子点基础知识做了一个简单介绍,并论述了量子点的一些常见的制备方法和应用,最后对量子点和量子点系统在外场驱动下具有的物理特性做了概述。 (二)第二章,在光脉冲激发下,对半导体纳米环中激发的磁激子的相干动力学进行了研究。通过计算激子偶极矩随时间的演化,对系统中光谱吸收情况做了分析。 (三)在周期外场驱动下,对两个量子点的系统的动力学进行了研究,根据Floquet定理并引入时间演化算符进而求得系统的准能,通过分析系统准能的变化情况,对系统激子态的演化和纠缠进行了讨论。 (四)最后对本文的研究成果做了总结和展望。

关键词： 非平衡态格林函数   量子点   Fano   Rashba   自旋输运  

摘要： 半导体量子点是准零维的介观结构,其中的载流子(如：电子)受到量子束缚而具有分立的能级和较强的库仑相互作用,这使得单个量子点的电子特性类似于自然界的原子,而被称为“人造原子”。与单个量子点相比,量子点分子结构具有更多的结构参数可以调控,其所实现的丰富的物理效应可作为未来量子信息及量子计算等器件的物理基础。量子点分子结构的电子输运特性是目前关于量子点研究的热点方向。本文采用非平衡态格林函数方法,对平行双量子点环中的电子以及自旋输运性质进行了较为系统的理论研究,得到了一些有意义的结果。本论文工作开展如下两个方面的理论研究： 一方面,我们研究了在平行双量子点环中由库仑相互作用诱导的电子输运性质。当体系处于线性输运区时,平行双量子点结构为电子输运提供了两条通道,一条路径为电子的隧穿提供共振通道；另一条路径为电子隧穿提供非共振通道。电子由于经过不同类型的路径而发生量子干涉,从而在电输运谱中能观察到Fano线型。通过研究发现：改变非共振通道量子点内的库仑相互作用能改变Fano参数的符号。从而,能改变Fano干涉,并且,能增加或降低Fano线型的对称性以及能使Fano线型发生发转；当两个量子点的能级均可调时,库仑相互作用使非共振通道量子点的能级发生劈裂,从而破坏Fano干涉。而当两个量子点均考虑多体效应时,Fano干涉仍可能出现。当无磁场时,由于量子点内库仑相互作用不同,使不同通道的任意两个能级相等,则相应的共振态变成空态。当体系处于非线性输运区时,当共振通道量子点的能级处于任一电极化学势附近时,在电导谱图上将会出现不同的Fano线型。同时,当量子点内的库仑相互作用和电极上的偏压取值适当时,在谱图上能观察到负微分电导和负微分电容。即,量子点内的库仑相互作用和电极上的偏压对负微分电导和负微分电容的出现起到了重要的作用。 另一方面,研究了三电极的平行双量子点结构中由局域Rashba自旋-轨道耦合诱导的自旋极化的电子输运。当电子从“源”电极经量子点区到两个“漏”电极时,它能根据自身的自旋态选择终端,即自旋极化和自旋分离可在这一结构同时实现。另外,量子点内的库仑相互作用对该体系的自旋输运性质有重要影响。其中,额外电极与之耦合的量子点中的库仑相互作用对自旋输运起主要调节作用。