半导体量子点中热电及热自旋相关效应的研究

摘要

近年来，随着纳米技术的持续快速发展，纳米结构中的局域热效应已经被广泛的研究。自2008年自旋赛贝克效应被发现后，半导体量子点结构中的热自旋效应也成为许多研究者们关注的对象。量子点作为未来量子计算及量子信息实现的候选者之一，研究其结构中的热输运、转化，对理解自旋输运、节约能源、优化电子器件设计具有实际的意义。本文从理论上研究了局域偏角磁场调制下的量子点系统中的热电及热自旋效应，期望得到增强的转化效率。另外，注意到自旋相干性极易受到环境的影响。热偏压下量子点中的信息存储、读出成为本文研究的另一个出发点。
　　在热电及热自旋研究中，本文利用非平衡格林函数法改进了描述量子点电子输运的隧穿速率方程，考察了与铁磁体引线耦合的量子点系统。得出，偏角磁场在自旋角动量方向投影上使得电子能级发生塞曼劈裂，通过局域磁场偏角的变化可调节热电转化的品质因子。同时，局域磁场在垂直方向上产生一个自旋进动磁矩，可使量子点中电子自旋态间发生相干叠加，从而影响到量子点与引线间电子的相互隧穿。进一步研究发现，平行极化时，热自旋品质因子对磁场增强存在着饱和性，单一调节投影磁场的强度并不能获得较高的热自旋品质因子。在引线反平行极化时，利用投影磁场使得塞曼劈裂能突破库伦阻塞的限制，在垂直磁场辅助下获得了较高的热自旋品质因子。
　　在热偏压下量子点中单电子自旋比特信息的存储与读出的研究中，本文利用开放系统的约化密度矩阵法导出了一般意义下的量子点系统的主方程。研究中发现，在与自旋注入反向的热偏压影响下，量子点中将不能存储完全意义上的单电子自旋比特，且这种不利影响不能通过调节自旋偏压的强度而使之消除。在单电子自旋比特读取过程中，热偏压会导致自旋下态电子读出的电流强度发生衰减，热偏压越大，衰减越明显，这与热偏压的方向无关。在自旋上态电子读取中，热偏压可影响自旋上态电子的隧穿，从而在引线中可产生非零电流。由于泡利不相容原理的限制，该电流强度与自旋下态读取中的电流强度相比显得十分微弱，故可以通过对比，消除热偏压产生的不利影响。

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引言

1.1介观纳米体系和量子点结构

1.1.1 介观纳米体系

1.1.2 半导体量子点

1.1.3 半导体量子点的性质简介

1.2半导体自旋电子学

1.2.1自旋电子学的兴起

1.2.2半导体材料中的自旋流

1.2.3半导体量子点中单自旋比特

1.2.4热自旋效应

1.3半导体量子点中热自旋效应

1.3.1纳米结构中的局域发热效应

1.3.2半导体量子点中热自旋效应研究进展

1.3.3本文研究内容

第二章 量子点系统输运的若干理论方法

2.1开放系统的密度矩阵

2.1.1量子点系统约化密度矩阵演化

2.1.2二阶近似下主方程

2.1.3隧穿速率方程导出

2.1.4库伦阻塞机制下的隧穿速率方程

2.2非平衡格林函数法

2.2.1几种常见的格林函数

2.3.2孤立系统的平衡态格林函数求解

2.2.3非平衡格林函数

2.2.4非平衡格林函数计算及Langreth定理（解析延拓）

2.2.5改进的速率方程

第三章 局域磁场对量子点中热电及热自旋效应的影响

3.1模型与计算方法

3.1.1理论模型

3.1.2 计算方法

3.2数值模拟与分析

3.2.1热电效应影响

3.2.2热自旋效应影响

3.2.3增强的热自旋品质因子

3.3小结

第四章 热偏压下的量子点系统

4.1模型与计算方法

4.1.1 理论模型

4.1.2 计算方法

4.2数值模拟与分析

4.2.1 自旋流影响

4.2.2 单自旋比特存储的影响

4.2.3 单自旋比特读出的影响

4.3小结

结论与展望

参考文献

在学研究成果

致谢