半导体异质结中具有Rashba效应的电子输运特性

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上世纪九十年代,随着传统电子器件的发展遇到瓶颈,人们开始越来越多把目光投向一种以自旋为基础的器件——自旋电子器件。自旋电子器件在使用过程中所具有的巨大优势和在信息科学领域中的广阔应用前景,以及自旋电子学研究的重要的理论意义,都触发了自旋电子学这个新兴学科的诞生,并且它很快成为了凝聚态物理最有活力最受关注的领域之一。基于半导体异质结与自旋轨道耦合相关的输运问题越来越成为一个热门的研究领域,特别是在没有外加磁场的情况下,控制电子的自旋在设计自旋电子器件,如自旋注入器件和自旋筛中显得非常重要。本文系统地研究了在半导体异质结的二维电子气中,具有自旋极化的入射电子在经过非。Rashba区/Rashba区/非Rashba区的双界面时电子的输运特性。通过与Datta、Das、邓文基老师和邵鹏睿同学等人的工作相对比,分析了半导体异质结自旋-轨道耦合区域有限尺寸效应和电子在双界面处的多重散射对电子自旋输运特性的影响,弥补有关Datta-Das自旋场效应晶体管量子输运特性理论研究中存在的缺陷。 首先我们简单地回顾了一下自旋电子学的发展历史和研究现状,并且讲述了一些基本理论。然后从相对论性量子力学的Dirac方程出发,推导出2DEG中Rashba自旋-轨道耦合的哈密顿量,给出其无量纲化的形式,探讨了通过半导体异质结所遇到的边界条件和其中电子自旋态的具体表达形式。紧接着我们讨论了透射系数和反射系数分别随自旋-轨道耦合强度和入射电子自旋态的变化关系,发现透射系数随自旋-轨道耦合强度做周期性振荡,在垂直入射时透射系数和反射系数没有自旋依赖性,而在斜入射时透射系数和反射系数将随入射自旋态改变;分析透射和反射自旋态与入射自旋态的关系,发现垂直入射时反射自旋态不发生改变,只是反射波有半波损失,透射自旋态除非取某些特殊参数,不然将随入射自旋态变化。最后我们还研究了电导率和电子自旋极化率随Rashba系数的变化情况,发现在取适当值时我们可以获得较高的自旋极化率和电导率。
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