关键词： 量子主方程   量子输运   自洽玻恩近似   介观系统  

摘要： 用量子输运主方程理论研究了介观系统的量子输运问题。量子输运主方程是非Lindblad形式的主方程，相比Lindblad形式的主方程，该主方程适用范围更广，可用于有限温度和有限电压情况下的输运过程。　　为了更好地描述量子点的输运情况，引入了自洽玻恩近似的方法，对标准二阶主方程理论加以修正，发展了自洽玻恩近似下的量子主方程理论。利用发展的自洽玻恩近似的量子主方程理论，分别研究了并联双量子点和串联双量子点的输运情况。在研究并联双量子点的量子输运过程中，突出强调了干涉图像的位相平移、干涉图像的谐波分解，位相锁定破缺，退相干和耗散效应也做了很好的研究;在研究串联双量子点的量子输运过程中，把自洽玻恩近似修正的量子主方程理论与单粒子波函数方法所得的结果作了比较，同时给出了有库仑阻塞情况下的电流-电压关系，结果表明，自洽玻恩近似修正的量子主方程理论与单粒子波函数方法是一致的，并且用自洽玻恩近似修正的量子主方程理论得到了通常的量子主方程不能得到的库仑台阶的量子展宽效应。由于单粒子波函数方法不便描述有多体相互作用的量子输运问题，因此自洽玻恩近似修正的量子主方程理论是解决输运问题的一种有效的理论方法。

关键词： Rashba超晶格   自旋轨道耦合   自旋极化   局域带隙  

摘要： 自旋电子学起始于1988年Fert和Gruenberg分别独立发现的巨磁阻效应（GMR）。自旋电子学是最近几年在凝聚态物理中发展起来的新学科分支,它研究在固体中自旋自由度的有效控制。在半导体自旋电子学中,自旋轨道耦合（SOI）提供了操纵电子自旋的电学途径。 在本文第一章介绍低维纳米电子结构、巨磁电阻效应、自旋电子学的发展、自旋轨道耦合效应、自旋注入及自旋电子器件的应用。 在论文第二章中我们针对单通道的平面电子波导,研究电子在周期性的Rashba自旋轨道耦合和弱平面磁场Bin的共同调制下表现出的自旋输运特性。对二端口的自旋轨道耦合调制的量子线体系,在单通道输运区,仅由自旋轨道耦合不能在输出流中产生自旋极化。当采用一个适当的弱磁场破坏时间反演对称性时,理论上可以实现显著的自旋极化。Rashba自旋轨道耦合强度的空间周期变化导致具有完全带隙的能带结构。施加一个弱平面磁场Bin会改变Rashba超晶格的能带特征。当Bin与电子传播方向的夹角θ取适当值时会产生局域带隙。电子能量位于局域带隙中时体系只存在两个传播模（一个向前传播,一个往后传播）。对应于此,在周期单位足够多的有限超晶格中产生的自旋极化大小和极化方向都强烈依赖于θ角。对于给定的费米能（高于塞曼劈裂能）,可能在某些θ角的区间内获得最佳的自旋极化。

关键词： CdSe量子点   荧光猝灭   能量传递  

摘要： 近年来,随着半导体量子点研究的逐步深入,无机量子点被引入有机电致发光中制成量子点-有机电致发光器件（QD-OLED）,目前进一步优化QD-OLED器件的关键问题是对材料中电荷转移和能量传递复合发光机制的的详细理解。量子点/聚合物复合材料发光性质的研究已成为一个重要的前沿研究热点,量子点微观结构特点和奇异的物理化学性质为制造和开发高效率、长寿命的OLED开辟了新的途径。 基于传统制备方法,我们首先在油相体系中以“一步法”合成的CdSe/ZnSe量子点为“核”表面生长ZnS壳层的方法制备了CdSe/ZnSe/ZnS多壳层结构的量子点并对其进行表征。该方法有效地减少了壳层生长的步骤和实验时间,降低了原料损耗,制备了具有高量子产率的多壳层结构量子点。 然后选用CdSe的不同壳层结构的量子点纳米晶与不同空穴传输材料配置混合溶液,改变量子点和有机物的比例,研究量子点与空穴传输材料之间发生的光诱导的电荷分离,导致溶液中量子点荧光猝灭。在此得出了量子点价带与空穴传输材料的HOMO能级的差越大,量子点荧光猝灭浓度越低,电荷传递量越多的结论。最后把CdSe/CdS/ZnS核壳结构量子点和两种不同电子传输材料混合薄膜为研究对象,探讨了光激发下从有机电子传输材料到量子点的能量传递问题。在Alq3和量子点混合薄膜中,我们计算出Fo|¨rster半径为5.23 nm,通过测量Alq3荧光寿命,发现在加入受体量子点后给体Alq3的平均荧光寿命变短,并计算了能量传递效率,随着加入受体量子点比例的增加能量传递效率也随着增加。在TPBI和量子点混合薄膜中通过监测量子点的激发谱我们初步证实了从TPBl分子到量子点的能量传递。

关键词： 计算微电子学   量子输运   非平衡格林函数   Anderson混合   预估-矫正法   递归格林函数法   电极块约简法   纳米器件模拟  

摘要： 随着半导体技术的快速发展,MOSFET器件的特征尺寸已经缩小到纳米尺度,与载流子的平均自由程和退相干长度相比拟,因而对器件进行的模拟中,需要利用量子弹道输运理论来实现。非平衡格林函数(NEGF)理论为量子模拟提供了深刻的微观图景和强大的计算框架,基于NEGF对器件进行数值模拟,这种研究方法被学术界和工业界的研究者采用,用于深入理解器件物理,探索器件工程问题。本论文实现了纳米双栅MOS器件的数值模拟,对流程进行了改良,对不同的方法进行了评估。 由于对器件进行量子模拟的计算量十分庞大,为减小计算量,提高模拟效率,需要实现科学计算方法和物理建模技巧的综合应用。论文在器件的模拟流程中,引入了非线性数学中一种快速迭代方法,Anderson混合法,对当前广泛应用的预估-矫正法起到了明显的加速作用。 为了在MOSFET中研究栅极泄漏电流,需要实现对器件的二维实空间量子模拟,基于递归格林函数法(RGF)这种格林函数的快速算法,论文实现了对双栅MOSFET的二维实空间量子模拟,并用于研究栅极载流子注入效应和栅氧层电介质材料的选取问题。 在RGF方法之外的另一种格林函数快速算法是电极块约简法(CBR),这两者都是当前器件模拟中的主流算法,以双栅MOSFET为载体,论文实现了这两种算法,对它们进行了比较,研究了RGF算法中忽略高阶项带来的影响,并对这两种方法的效率、精度、适用性进行了探讨。 总之,本论文针对纳米尺度MOS器件量子模型的数值模拟方法,进行了一些探索,得到了一些有益的结果。

关键词： 半经典理论   量子台球   量子输运   Husimi分布   经典-量子对应  

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,由于半导体材料的制备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微结中电子传导的典型实例。这种材料可以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。作为一个理论模型,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,它的电子密度较低(在低温条件下),且可以通过外加电场来控制。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,而杂质粒子及声子的散射作用影响甚微。除与壁相碰外,电子可以看做是自由运动的经典粒子,所以在量子台球(或者二维电子气)中研究(电导)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由规则到混沌的过渡。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,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,在外加磁场中,体系的运动性质会发生很大变化。研究表明:当加上均匀磁场后,如果体系的几何边界形状与粒子的运动轨迹不能贴合时,运动性质也会出现混沌。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、电导性质以及实现量子控制直至研制量子计算机的理想模型。 对于不可积体系,一般无法得到解析解,而只能通过理论计算的方法求得薛定谔方程的数值解。对于量子台球系统,人们已经发展了许多数值求解的方法如:有限差分法、定态展开方法、B-样条法……等,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,通常只能得到近似解。而对于混沌过程,即使初值上的微小偏差也会对结果产生巨大的甚至是灾难性的影响。因此量子混沌的研究至今未能顺利得到广泛开展。科研工作者需要努力基于物理直觉,发展理论方法,以期推动量子混沌研究以更便利、简洁而且有效的方式广为人们所接受。这方面,量子谱函数方法、相空间分布函数方法以及传输矩阵结合拓扑学的方法都是成功的例证。 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观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.还提出了Berry-Kubo公式方法;此外,定态展开方法以及拓扑学等研究方法也相继产生。Landauer猜想电子通过这种微腔的电导可以通过计算传输矩阵,对传输系数求和得到。1986年,杜孟利和Delos等人研究外Rydberg原子在强电磁场中光吸收谱时在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。这种理论扩展到开轨道情况,也为研究量子台球性质提供新的有用的工具,它导致量子谱函数方法的提出并获得广泛应用。Delos小组利用S矩阵方法研究了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在导线接口处的衍射效应。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。为了符合实际情况,研究外场中量子台球的动力学行为是必要的。对于多分量高简并体系,相空间分布函数方法是一个非常有用的工具,因为相空间公式提供了一个利用经典信息描述量子现象的理论框架,为理论研究者提供有用的物理洞见,是其他方法不容易实现的,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主要手段。理论计算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结果或应用理论计算得到的数据,这种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。因而微观体系中的量子力学和经典力学的对应关系一直是人们十分感兴趣的重大课题,对人们更深地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,Bohr和Sommerfeld的量

关键词： 介观系统   参数量子泵   输运性质   非平衡格林函数方法  

摘要： 本文采用标准的非平衡格林函数方法,研究了由正常金属—量子点—量子点—正常金属构成的参数量子泵系统的非平衡输运性质。主要工作包括: 1、简单介绍了介观系统的基本特点、量子点的基本性质、制备方法及其应用。接着较为详细地介绍了量子泵、参数泵、自旋泵的基本理论。 2、通过一个简单的实例介绍了本文所使用的研究方法——非平衡格林函数方法的基本使用步骤; 3、采用标准的非平衡格林函数方法,研究了一个由正常金属—量子点—量子点—正常金属构成的参数量子泵的输运性质。从系统的哈密顿量出发,通过Heisenberg运动方程方法,在Hartree-Fock近似下,推导得到了系统的格林函数,进而得到自旋相关泵电流的解析表达式。结果表明,系统泵电流与门电压、泵频率、两个泵势的相位差等参数有关。

关键词： 量子点   Rashba自旋轨道耦合   自旋极化流   纯自旋流   自旋积累  

摘要： 由于依赖自旋的电子器件有相干时间长，数据处理快，功耗低等优点，从而引起越来越多物理学家们的关注。自旋极化流和自旋积累的产生，操作控制和测量已经成为自旋电子学中具有挑战性的关键问题。　　我们首先在第一章简要概述了自旋电子学及其研究进展，对量子点系统中的电子输运性质以及自旋相关的物理特性做了说明，介绍了AB效应和自旋轨道耦合效应。　　为了分离从中间电极注入的自旋向上与自旋向下的电子，使其分别流入左右电极，在第二章中我们提出了一个嵌入单能级量子点的环状结构。这个环状结构的一个臂上存在Rashba自旋轨道耦合效应，因此可以避免使用电磁场或磁性材料来操控电子的自旋。我们发现左右电极流出电流的自旋方向和大小都可以由Rashba自旋轨道耦合强度和结构参数调制。　　第三章用Keldysh格林函数方法研究了存在Rashba自旋轨道耦合效应的三端单量子点环中的自旋积累和纯自旋流。结果显示，在一定条件下，中间电极会出现纯自旋流,同时自旋在量子点内积累。通过调节偏置电压、Rashba自旋轨道耦合引起的相位因子和穿过环的电磁场，自旋流和自旋积累的大小和方向可被调控。自旋积累和纯自旋流产生的原因可以通过电极与量子点间的自旋相关的整体耦合强度解释。　　我们在第四章中研究了三端双量子点环中的自旋极化流与自旋积累，发现通过适当调节三个电极的偏置电压、Rashba自旋轨道耦合引起的相位因子等参数，电极中电流的自旋极化率可以达到10000或者无穷大，并且量子点中可能分别积累相同或者不同自旋取向的电子。

关键词： 量子点   自旋轨道耦合   自旋极化输运   格林函数  

摘要： 自旋电子学是一门研究如何在固体中有效地控制自旋自由度的新兴交叉学科,人们希望利用自旋自由度来取代(或者结合)传统电子学器件中的电荷自由度,从而实现新型的自旋电子学器件。研究自旋电子学器件要解决的主要问题有:如何有效地产生自旋极化;自旋极化保持的时间和输运的距离,以及如何操控它们;自旋极化的探测。 论文将基于Rashba自旋轨道耦合,采用非平衡格林函数方法和slave-boson平均场近似,研究耦合双量子点体系结构中自旋积累、自旋极化输运、纯自旋流产生以及近藤效应等问题,并讨论量子点能级、偏压、磁通量、自旋轨道耦合等多种因素的影响下,量子点体系的自旋极化输运性质。 首先,从理论上研究平行耦合双量子点与电极对称连接的结构中,Rashba自旋轨道耦合作用对Fano共振的影响。研究表明,受Rashba自旋轨道耦合作用调节的共振通道,非共振通道及它们之间的量子相干是Rashba自旋轨道耦合作用调控Fano共振的根本原因。Rashba自旋轨道耦合作用和磁通量在产生自旋极化输运的过程中起到关键性作用。当没有磁通量通过量子点体系时( ? = 0),与自旋无关的Fano共振受Rashba自旋轨道耦合作用强度调节。当有磁通量通过量子点体系时,如? =π/2,自旋相关的Fano共振出现。而且每种自旋成份的Fano共振峰线型可被Rashba自旋轨道耦合作用强度调控。考虑电子间的库仑相互作用后,不同自旋电子的电导谱分为两部分,一部分中心位于成键态和反成键态,另一部分中心位于其库仑阻塞区。 其次,通过对每个臂均嵌入一个量子点的Aharonov-Bohm(AB)环中的自旋积累效应的研究,发现在Rashba自旋轨道耦合作用下,即使在无铁磁性电极、无磁场的情况下,由于量子相干,量子点中也会产生自旋积累,并且量子点中的自旋积累有如下特点:(1)自旋积累的大小和方向可通过门电压和偏压调节; (2)每个量子点上的自旋积累作为? R的函数,周期为2π; (3)自旋积累最大值的位置可由量子点的能级、电子间的库仑相互作用强度和偏压等因素共同调节。 此外,研究了平行耦合双量子点与三电极连接的体系自旋极化输运性质,利用自旋轨道相互作用的可控性,探讨控制不同自旋的电子沿不同电极输运的可能性,提供产生自旋分离及纯自旋电流的新途径。研究表明当恰当地选取Rashba自旋轨道耦合强度和偏压后,通过调节施加在量子点上的门电压,改变其中一个量子点能级时,一个由中间电极注入的非极化电流,经过量子点体系后,在左、右电极实现自旋的分离,即二个完全极化且极化方向相反的自旋流可分别萃取到左电极或右电极上。另外,在三个电极的电压满足一定关系时,中间电极可获得一个幅度和方向均可调节的纯自旋流。这样的模型结构简单,并可使用现有的技术手段在实验上实现。 最后,利用slave-boson平均场近似,研究在Rashba自旋轨道耦合作用影响下,双量子点体系的近藤效应。发现在磁通和Rashba自旋轨道耦合共同作用下,近藤区,量子点体系出现自旋极化的隧穿函数、局域态密度和线性电导。而且如果适当地调节Rashba自旋轨道耦合强度,可控制同一时间只有一种自旋方向电子能通过量子点体系,该性质可用于设计自旋阀。 总之,论文基于Rashba自旋轨道相互作用,探索利用电场、偏压等电学手段在量子点体系中实现自旋极化输运、自旋调控的可能性。并明确Rashba自旋轨道相互作用、库仑相互作用及体系的结构参数等可调控因素对自旋极化输运的性质的影响,揭示受自旋轨道相互作用支配或影响的新物理规律。提出实现电学方法操控电子自旋的纳米器件理论模型,为自旋电子学器件设计和量子信息实现提供理论信息。

关键词： 量子点   SnO2   ZnS   薄膜   光致发光  

摘要： 纳米科学涉及多学科领域,是材料科学的一个重要分支,纳米量子点在三维尺度上尺寸小,具有量子限域效应,量子尺寸效应,宏观量子隧道效应,介电限域效应,表面效应等特殊效应。这些特殊效应决定了纳米量子点材料与常规材料相比,性质发生了很大变化。半导体量子点材料由于在微电子领域,光通讯,磁性材料,发光材料,光存储等方面存在着巨大的潜在应用,近些年引起了科学家们的广泛兴趣。 本文首先从久保理论出发,简要介绍了量子点的各种特殊效应,包括量子限域效应,量子尺寸效应,小尺寸效应,量子隧道效应,界面与表面效应,介电限域效应,纳米结构单元之间的相互作用。从量子点块材和量子点薄膜两方面简要介绍了各自的主要制备方法及量子点的两种改性手段:表面修饰及掺杂。 本文重点介绍了半导体量子点在光学性质的理论基础,并从医学和光电器件两方面阐述了量子点的应用。 本文采用溶胶-凝胶-水热法制备了氧化硅稳定的氧化锡量子点凝胶和氧化硅稳定的硫化锌量子点凝胶。X射线衍射(XRD)和高分辨透射电镜表明这种方法制备的四方金红石氧化锡和闪锌矿型硫化锌量子点粒径小且均匀。在氧化硅溶胶再分散上述量子点凝胶基础上,采取旋涂法在载玻片上制备了氧化硅基不同量子点含量,不同膜层厚度的量子点薄膜。测试了量子点薄膜的光致发光特性光谱和透射光谱。并从原理上分析了氧化锡量子点薄膜光致发光的多峰特性。与氧化锡块体材料相比,透射谱显示量子点的吸收边有蓝移现象,计算了氧化锡量子点薄膜的光学带隙,表明量子点的带隙较普通材料有增宽现象。

关键词： 光子晶体   左手介质   R矩阵   介观环   自旋轨道耦合  

摘要： 本文主要用R矩阵法研究了二维光子晶体量子阱的输运特性,为设计和实现具有优良性能的多频道滤波器提供了理论依据。此外,还用S矩阵研究了电子在AB环中的量子输运特性,发现含Rashba自旋轨道耦合的三端AB环可以实现自旋极化和反转。本文的研究内容概括为: 光子晶体由于具有光子禁带特性,阻止了特定频率的光的传播,可以用作光子势垒。因此,在两个光子晶体层中间插入均匀传输介质可以构造出一个光子晶体量子阱结构,其中均匀传输介质起到光子势阱的作用。我们用R矩阵法研究了用此方法构造的双光量子阱的输运特性,发现该双光量子阱的共振频率可以通过调节阱宽、势垒宽度和阱中介质来控制。该双量子阱结构可用来制作多频道滤波器。 在上述工作的基础上,我们进一步研究了不同阱介质的多个光子晶体量子阱的共振隧穿效应。研究发现:在阱宽和阱中介质完全一样的多阱系统中,光子禁带区域,由于共振隧穿效应,共振峰劈裂的数目与光量子阱的数目相等;并且随着阱中介质介电常数的增大,共振峰的位置移向了低频区;当阱中引入左手介质后,发现在介电常数绝对值相等的条件下,左手介质阱的共振峰数目明显要比右手介质阱的共振峰数目少;进一步对一维光子晶体量子阱进行理论分析后得到,由介质不同和阱宽不同分别产生的共振劈裂消失不一样,前者是由光在左右手介质中传播的能流方向相反产生干涉相消而引起的,而后者是由阱宽不同,阱的本征模也不同而引起的;并且由左右手介质构成的多光量子阱的共振频率可以通过改变阱中介质的排列顺序来控制。 最后,对于含自旋轨道耦合的AB环系统,我们用S矩阵研究了电子通过该环的自旋极化输运特性。由于自旋反转透射率与Rashba自旋轨道耦合强度和磁通有关,因此可以通过调节它们来实现自旋极化和反转,为设计和实现自旋极化器和反转器提供了理论依据。