半导体中的自旋霍尔效应及自旋极化输运研究

摘要

电子具有电荷和自旋两种属性。传统的半导体电子器件中的载流子输运过程只是利用电场来控制并使用了它们的荷电特性，其自旋状态并未考虑。随着半导体晶体管的尺寸接近纳米级，半导体芯片的原子尺度的限制和小尺度引起的焦耳能耗已成为大规模集成电路的两大难以克服的物理限制因素。由此，基于电荷操控的微电子学在不远的将来很可能难以有什么更大的发展了。因此人们开始着手研究如何利用电子的另一种属性：自旋。
　　 本文通过对自旋一轨道耦合的介绍，引出利用电子的自旋属性所面临的问题。并对其中部分问题进行了研究。
　　 第三章通过研究外电场诱导的自旋-轨道耦合对Rashba二维电子气中的本征自旋霍尔效应的影响，得出一个交变电场确实可以在Rashba二维电子气系统中产生自旋霍尔电流。我们的研究表明，考虑了外电场所诱导的自旋-轨道耦合后，不但交变自旋霍尔电导不为零，而且甚至在无序散射存在的情况下静态自旋霍尔电导也不为零。与通常的耗散电荷和（或）自旋输运明显不同的是，在有外电场诱导的自旋-轨道耦合存在的Rashba二维电子气中所有费米能级以下的态都对自旋霍尔电流有贡献。而对于通常的非本征自旋霍尔效应，只有费米能级邻近的态才对电荷电流或自旋电流有贡献。
　　 在第四章中，我们研究了外电场诱导的自旋-轨道耦合对非磁半导体中的非本征自旋霍尔效应的影响。研究表明，在非磁半导体或金属中，除了通常的依赖自旋-轨道的杂质散射对非本征自旋霍尔效应有贡献之外，由外加电场诱导的自旋-轨道耦合对非铁磁半导体或金属中的非本征自旋霍尔效应也会产生相当大的无耗散贡献。考虑了外电场诱导的自旋-轨道耦合的影响后，对自旋霍尔电导有贡献的部分有两个。一个来自于依赖自旋-轨道杂质散射的，另一个来自于由外电场诱导的自旋-轨道耦合的。由外电场诱导的自旋-轨道耦合对自旋霍尔电导的贡献与无序散射效应无关，也就是说，这种贡献是非耗散性的。这种非耗散性贡献的大小由载流子密度和自旋-轨道耦合常数唯一决定。而且所有低于费米能级的态对自旋霍尔电导都能做出相同权重的贡献。与由外加电场引起的自旋-轨道耦合对自旋霍尔电导的贡献不同的是，只有费米能级附近的态才对缘于依赖自旋-轨道的杂质散射的通常的非本征自旋霍尔电导有贡献。
　　 在第五章我们研究了同时存在本征和非本征自旋轨道相互作用的情况下，反常霍尔效应中的各种可能贡献。研究表明总的反常霍尔电导可以表示成三部分之和，分别是由动量空间的Berry曲率决定的本征贡献；由修正的Bloch带群速度决定的非本征贡献；及由自旋相关的杂质散射所决定。
　　 由动量空间的Berry曲率所决定的反常霍尔电导本征贡献及由修正的Bloch带群速度决定的对反常霍尔电导的非本征贡献都与杂质散射效应无关，且所有费米能级以下的电子态都对其有贡献，即具有费米海性质。与之相对应的是，由自旋相关的杂质散射所决定的非本征贡献则体现费米面性质，也就是说，只有费米能级附近的电子态才对反常霍尔电导有贡献。
　　 论文最后对自旋电子学的未来及进一步的工作进行了展望。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1．1 自旋电子学简介

1．1．1 磁电子学(基于铁磁金属的自旋电子学)

1．1．2 半导体自旋电子学(基于半导体材料的自旋电子学)

1．2 半导体自旋电子学中的一些基本理论问题

1．3 论文研究的问题及章节安排

参考文献

第二章 半导体中的自旋—轨道耦合

2．1 自旋—轨道相互作用

2．1．1 Rashba自旋—轨道耦合

2．1．2 Dresselhaus自旋—轨道耦合

2．1．3 杂质引起的自旋—轨道耦合

2．2、自旋—轨道耦合作用下的典型效应

2．2．1 电流导致的自旋极化

2．2．2 自旋霍尔效应

2．2．3 自旋场效应晶体管

参考文献

第三章 外场诱导的自旋—轨道耦合对Rashba二维电子气中的本征自旋霍尔效应的影响

3．1 引言

3．2 外加交变电场时的本征自旋霍尔电导计算

3．3 结果与讨论

3．4 小结

参考文献

第四章 外场引起的自旋一轨道耦合对非磁性半导体中的非本征自旋霍尔效应的无耗散贡献

4．1 引言

4．2 有外场时的非本征自旋霍尔电导的计算

4．3 结果与讨论

4．4 小结

参考文献

第五章 自旋极化二维电子气中反常霍尔效应的本征及非本征机制研究

5．1 引言

5．2 二维电子气系统中的反常速度和反常霍尔电流

5．3 结果与讨论

参考文献

第六章 结论与展望

6．1 论文工作总结

6．2 未来工作及展望

6．2．1 EY(Elliot—Yafet)机制

6．2．2 DP(Dyakonov—Perel)机制

6．2．3 BAP(Bir—Aronov—Pikus)机制

6．2．4 超精细相互作用

6．2．5 未来展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的论文及所做的工作