Delta-掺杂磁半导体纳米结构中电子自旋过滤性质研究

摘要

自旋电子学研究如何利用半导体中的电子的自旋来存储和传递信息，并结合半导体微电子工艺开发新一代自旋电子器件。由于基于电荷的传统电子学达到了物理极限，自旋电子器件的开发就显得特别重要，而且，与现有的电子器件比较，自旋电子器件具有更快的数据处理速度、更大的存储容量、更高的集成度和更低的功耗。但是，自旋电子器件的实现依赖于半导体材料的自旋注入，因此，研究半导体材料中电子的自旋极化及其控制是半导体自旋电子学的一个重要研究方向。迄今为止，许多有效的实现自旋注入的方法已经从实验上和理论上提出来了，其中利用半导体纳米结构对电子自旋的过滤作用来实现半导体材料中电子的自旋极化与操控特别引人注目。
　　本学位论文选取一类重要的半导体纳米结构---磁半导体纳米结构作为研究对象，通过δ-掺杂技术，从结构上探索典型磁半导体纳米结构中电子的自旋过滤性质及其调控，期望能为自旋电子学的应用设计、开发一类新的结构可控的电子自旋极化源。整篇论文分为四章。第一章为绪论，简要地介绍了自旋电子学、半导体材料中电子自旋极化与调控、磁半导体纳米结构与电子自旋极化的实现、以及本学位论文的研究内容。
　　在第二章，我们运用理论分析与数值计算相结合的方法，研究电子通过δ-掺杂磁垒半导体纳米结构中的自旋输运。在实验上，这个自旋过滤器可通过在半导体InAs异质结的表面平行地淀积两个具有水平磁化方向的纳米磁条，以及使用原子层掺杂技术来实现。理论分析表明，由于自旋电子的有效势依赖于δ-掺杂，因此自旋电子的透射和电导均受到该掺杂的影响。借助于转移矩阵技术自旋电子的运动方程被严格求解，并通过熟知的Landaur-Büttiker理论数值计算了其电导及其自旋极化，结果显示，半导体中的电子自旋极化的大小和符号均可通过改变δ-掺杂的权重和/或位置进行调控。因此，这样一个磁半导体纳米结构可用作自旋电子学应用中的可控自旋过滤器。
　　第三章报道了δ-掺杂磁电垒半导体纳米结构中的电子自旋极化输运。同样地，δ-掺杂也可利用原子层掺杂技术在实验上实现，但是磁电垒则需要在半导体InAs异质结的上、下表面沉积两个具有水平磁化强度并被施加了直流电压的不对称磁条产生。由于系统中的磁垒具有不同的磁感应强度打破了内禀对称性，致使电子的传输与其自旋密切有关；由于δ-掺杂，自旋电子的传输又敏感于该掺杂。计算结果发现，通过调节δ-掺杂的位置和/或权重可方便地调控电子的自旋极化度。因此，这个磁半导体纳米结构也可用作可控的自旋过滤器，其有助于为自旋电子学的应用开发新的自旋极化源。
　　最后，在第四章我们简短地总结了全文的研究背景、意义、内容和特色

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第1章 绪论

1.1 自旋电子学

1.2 半导体材料中电子的自旋极化

1.2.1 半导体GaAs晶体中自旋极化电子产生的原理

1.2.2 半导体中电子自旋极化的方法

1.3 磁半导体纳米结构与电子的自旋极化

1.3.1 磁半导体纳米结构

1.3.2 磁半导体纳米结构中电子的自旋极化

1.4 本学位论文的研究内容和目标

第2章 Delta-掺杂磁垒半导体纳米结构中电子的自旋极化输运

2.1 引言

2.2 模型和方法

2.3 结果和讨论

2.4 本章小结

第3章 Delta-掺杂磁电垒半导体纳米结构中电子的自旋过滤

3.1 引言

3.2 模型和方法

3.3 结果和讨论

3.4 本章小结

第4章 结论与展望

参考文献

致谢

个人简历、申请学位期间的研究成果及发表的学术论文