耦合多量子点干涉仪系统电输运理论研究

摘要

如何调控半导体量子点系统电输运一直是电子科技领域中具有广阔应用前景的研究课题。半导体量子点通常在单电子静电计、静态存储器元件、量子信息科学、量子计算等方面得以应用。与单量子点系统相比，耦合多量子点系统具有更多可调参数，可以更加容易地控制系统电荷输运、自旋极化输运和热电输运等。耦合多量子点可被用作集成量子芯片的基础电子元器件，而耦合多量子点系统电输运和热电转换的研究，则为设计与制备新型量子功能器件提供必要的理论支撑。本文利用Keldysh非平衡格林函数建立Dyson方程的方法，结合Langreth定理对几种不同构型的耦合多量子点干涉仪系统电荷输运、光子辅助电输运、自旋输运及热电输运进行理论研究。 首先，在平行双量子点干涉仪结构基础上侧向悬挂一个量子点，设计成非对称三量子点干涉仪光子辅助电输运模型。通过调节量子点间耦合强度、含时外场的振幅和频率可以控制系统的平均电流峰值的大小和位置，实现介观器件的整流功能。对含时外场振幅的调控可实现系统平均电流峰与谷之间的转换。调节量子点-电极之间耦合强度的非对称性参数，能够使平均电流主峰与旁带峰更加易于区分，有助于确定系统能级的分立。 其次，为使介观量子器件中的自旋极化电流得到更加有效地控制，设计了在Aharonov-Bhom干涉仪两臂中分别嵌入“T-型三量子点分子”模型，研究了该量子器件中光子辅助电荷及自旋输运特性。当有横向磁通穿过系统时，可观察到平均电流的Aharonov-Bhom效应。通过调节Rashba自旋-轨道耦合强度，可以在整个量子点能级区域内实现纯自旋向上（向下）的极化传输。在对称含时外场作用中，通过调节直流偏压、磁通和Rashba自旋-轨道耦合相位因子，自旋极化的大小和方向都可以有效地控制。在系统中施加时间调制的非对称外场能够实现多光子-电子泵功能。 再次，设计并研究了“线型双量子点分子”Aharonov-Bohm干涉仪光子辅助电输运和“线型三量子点分子”Aharonov-Bohm干涉仪电输运。在“线型双量子点分子”Aharonov-Bohm干涉仪的研究中，调节量子点间耦合强度或磁通可以诱导电导共振峰发生劈裂。控制横向磁通的有无，可实现电导共振峰数值在0与1之间的相互转换，这为制造量子开关提供了一个新的物理解决方案。借助磁通和Rashba自旋-轨道相互作用，该系统可实现自旋过滤。对于“线型三量子点分子”Aharonov-Bohm干涉仪，当两个“线型三量子点分子”内点间耦合强度的数值差较小时，在电导谱中可以观察到Fano反共振峰。通过调节系统结构参数，可同时形成两个束缚态。随着磁通量相位因子在(0-π)范围内的增加，系统电导反共振点逐渐演变成反共振带。研究结果为“线型耦合多量子点分子链”嵌入Aharonov-Bohm干涉仪系统电输运的进一步研究提供了新的认知。 最后，为提升介观量子器件的热电转换性能，在平行耦合双量子点基础上对称侧向悬挂单量子点。由于对称侧向悬挂量子点的耦合作用，在低温条件下电导谱和热导谱均产生了双Fano共振，这在很大程度上增强了系统热电转换性能。由于局域双极化效应与Fano效应的共同作用，该系统比平行耦合双量子点系统的热电优值提高一倍，基于此该系统可用于设计高效热电转换的量子器件。在相对高温条件下，通过调整量子点-电极耦合强度和量子点能级，可以实现系统热电优值的优化。 总之，本文设计并研究了几种典型耦合多量子点干涉仪的电子输运、光子辅助电输运、自旋极化输运和热电输运。阐明了系统结构参数的调节可实现对电导、平均电流、自旋极化电流和热电参量的有效控制。这些典型耦合多量子点干涉仪系统对于实验来说结构并不复杂，对欧姆接触电极进行设计之后便可在实验中实现。本文的结论期望有助于自旋量子器件和热电转换量子器件的设计与研发。

目录

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摘要

第1章绪论

1．1量子点系统及其动力学特征

1．1．1半导体量子点简介

1．1．2量子点的制备和操控

1．1．3量子点系统电子输运特性

1．2量子输运理论方法

1．2．1非平衡态格林函数

1．2．2非平衡态格林函数的运动学方程

1．2．3非平衡态格林函数在电荷输运中的应用

1．2．4介观系统光子辅助隧穿

1．2．5耦合量子点系统热电参量

1．3国内外半导体量子点电输运及热输运研究

1．3．1耦合量子点系统电输运研究

1．3．2耦合量子点系统热电输运研究

1．4本文的主要工作

1．4．1本文的研究内容

1．4．2本文的研究目的和意义

1．4．3本文的主要创新点

第2章非对称耦合三量子点干涉仪光子辅助电输运

2．1引言

2．2非对称耦合三量子点干涉仪理论模型

2．3光子辅助电输运数值结果与讨论

2．3．1 “T-型双量子点分子”内点间耦合强度

2．3．2量子点-电极之间耦合强度非对称性

2．3．3含时外场与系统平均电流之间关系

2．3．4含时外场作用下系统I-V特性研究

2．4本章小结

第3章“T-型三量子点分子”AB干涉仪光子辅助电荷及自旋输运

3．1引言

3．2“T-型三量子点分子”AB干涉仪理论模型

3．3系统光子辅助电荷及自旋输运的数值结果和讨论

3．3．1含时外场作用

3．3．2“T-型三量子点分子”内点间耦合强度

3．3．3 “T-型三量子点分子”AB干涉仪的AB效应

3．3．4 Rashba自旋-轨道耦合与系统自旋极化电流的关系

3．3．5光子-电子泵现象

3．4本章小结

第4章两端“线型双量子点分子”AB干涉仪电输运

4．1引言

4．2“线型双量子点分子”AB干涉仪理论模型

4．3无含时外场时系统的电输运性质

4．4加入含时外场时系统的电输运性质

4．5本章小结

第5章“线型三量子点分子”AB干涉仪电输运

5．1引言

5．2“线型三量子点分子”AB干涉仪理论模型

5．3 “线型三量子点分子”AB干涉仪电输运数值结果与讨论

5．3．1弱量子点间耦合强度对系统电导的调制

5．3．2强量子点间耦合强度对系统电导的调制

5．3．3 AB磁通与系统电导的关系

5．3．4量子点-电极非对称耦合

5．4本章小结

第6章对称耦合四量子点干涉仪热电输运

6．1引言

6．2对称耦合四量子点干涉仪理论模型

6．3系统热电参数数值结果与讨论

6．3．1局域双极化与Fano效应共同作用

6．3．2系统热电参量对量子点间耦合强度的依赖关系

6．3．3温度对系统热电输运的影响

6．3．4非对称耦合电极与系统热电转换的关系

6．4本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

个人简历