量子点接触中的自旋过滤特性

利用可调节自旋过滤器模型,计算并讨论了磁场和电子跃迁能量间隔变化对量子点接触结构中自旋电子过滤特性的影响。研究发现,磁场和电子跃迁能量间隔的变化引起了自旋电子隧穿概率和隧穿电导都呈现出量子台阶效应,磁场的增加使电子的回旋频率和Zeeman能级分裂同时加强,从而导致量子点接触结构中的横向约束加强,而自旋过滤效应明显减弱;当磁场一定时,电子跃迁能量间隔越小,电子的自旋过滤效应越明显。电子跃迁能量间隔改变的同时,也改变了鞍形势的势垒形状和自旋过滤的灵敏度。对于不同的材料,同时考虑磁场和电子跃迁能量间隔的作用可以找到自旋过滤器的最佳过滤效果。尤为重要的是过滤器的结构用标准的电子束技术很容易得到,所以研究结论为设计新型自旋过滤器提供了理论依据,具有广阔的应用前景和潜在的商业价值。此外,使用朗道因子值较高的材料作自旋过滤器的衬底,可以进一步提高过滤器的性能。

复合磁电垒纳米结构中的电子自旋过滤器

采用转移矩阵法,我们研究了在偏压存在的情况下,由沉积在InAs半导体异质结上的两条铁磁条带和一条肖特基金属条带构建的电子自旋过滤器中电子的自旋过滤特性.研究发现,该电子自旋过滤器中,电子自旋极化的大小和幅度与偏压密切相关,这些有趣的性质对如何制造一个偏压可调的电子自旋过滤器十分有益.

偏压可调的铁磁-肖特基金属和半导体纳米电子自旋过滤器

在半导体异质结上沉积一条纳米级的铁磁条带和一条肖特基金属条带可获得一个电子自旋过滤器.采用转移矩阵法,我们研究了偏压对该电子自旋过滤器中电子自旋过滤性质的影响.通过数值计算,我们发现,该电子自旋过滤器中,电子自旋极化的幅度和符号与偏压密切相关,这可用来制造一个偏压可调的电子自旋过滤器.

石墨烯纳米带复合异质结中的自旋过滤效应

通过构建端连石墨烯纳米带(GNR)/碳纳米管(CNT)/石墨烯纳米带(GNR)对称复合异质结,研究了理想接触和实际接触对体系自旋电子输运特性的影响。采用非平衡格林函数结合自旋极化密度泛函理论的方法计算了GNR/CNT/GNR复合异质结的自旋电子输运特性,发现具有双实际接触的GNR/CNT/GNR异质结呈半导体性,表现出非常好的共振输运和自旋过滤特性,而具有双理想接触的GNR/CNT/GNR异质结呈金属性,共振输运和自旋过滤特性不明显。这是因为在具有双实际接触的GNR/CNT/GNR异质结中GNR与CNT的接触区形成接触势垒,CNT如同一个共振腔,只有满足一定共振能量的上自旋电子才能通过,从而形成共振输运和自旋过滤效应。研究结果有助于设计高效的全碳分子自旋过滤器。

纳米环中基于自旋轨道耦合的自旋过滤效应

理论研究纳米尺度半导体量子环中的电子自旋极化输运现象。量子环的每个臂上生长一个半导体量子点,其中存在Rashba自旋轨道耦合相互作用。在外加磁通的联合作用下,流过体系的自旋朝上和朝下的电子将获得不同的相位,从而发生不同的干涉效应。在适当调控体系参数的情况下,只能有一种自旋取向的电子通过,即发生了自旋过滤效应。此结构能在现有的实验条件下实现,并有望能得到实际的应用。

金属串配合物[CoMCo(dpa)_4(NCS)_2](M=Co,Ni,Pd,Pt)结构和自旋过滤性质研究

应用密度泛函理论B3LYP方法对金属串配合物[Co MCo(dpa)4(NCS)2](1:M=Co,2:M=Ni,3:M=Pd,4:M=Pt;dpa=二吡啶胺)的成键性质和自旋过滤效应进行了研究,结果表明:配合物1的基态为二重态,Co6+3金属链形成三中心三电子σ键(σ2σ1nbσ*0);而配合物2~4的基态均为反铁磁耦合单重态(AF态),对应的最低能量高自旋态(HS态)分别为三重态、七重态和七重态,单电子分布在两端Co原子上,[Co MCo]6+链具有三中心四电子σ键(σ2σ1nbσ*1).配合物1~4均具有自旋过滤效应,电子传输通道主要为β-自旋σnb轨道,与费米能级的距离大小为1<2<3≈4.电场作用下,1~4的高电势端Co2—N4键增长而低电势端Co3—N7键缩短,Co—M平均键长略为缩短,Co—M键增强;电场作用下金属原子的自旋密度和电荷密度变化很小,电磁性质稳定;电场作用下σnb轨道分布仍保持沿金属轴方向离域,LUMO-HOMO能隙减小,有利于电子输运.

双量子点系统中热压作用下的自旋过滤效应

研究与两个金属电极耦合的顺序连接双量子点系统中热压作用下的自旋极化电流.在震荡磁场的作用下,两个量子点之间的耦合强度变得和自旋有关,并对电流的强度和共振峰产生影响.在量子点内库伦相互作用为零时,随着两个量子点中不同自旋方向电子耦合强度差值的增大,自旋朝上的电流出现明显的双峰结构,而自旋朝下电流保持单峰结构,并且强度变弱,使得电流的自旋极化率增大,产生理想的自旋过滤效果.这种现象在器件两端的温度差较小的条件下也能够出现,是设计灵敏、低能耗的热自旋电子学器件的理想情况.量子点内的库伦相互作用会使得电流的峰产生进一步的分裂,从而在更多的量子点能级处出现一种自旋方向的电流为峰值,而一种自旋方向的电流为极小值的情况.通过调整量子点间自旋相关的耦合强度的符号,可以控制能够隧穿通过结构的电子的自旋方向.

局域交换场和电场调控的锗烯纳米带自旋过滤效应

基于非平衡格林函数方法,理论研究了Z轴方向局域交换场和电场对锗烯纳米带中电子自旋极化输运性质的影响.结果表明对锗烯的边缘区域施加强度大于其2倍有效自旋轨道耦合强度的交换场,可使自旋向上和向下电子的能带在不同的能量区间产生带隙,从而实现对不同自旋取向电子的100%过滤.提出了一种利用电场辅助降低自旋过滤效应所需阈值交换场强度的方法.研究表明,同时对中心器件区域施加局域交换场和电场,可以在小于有效自旋轨道耦合的弱交换场强度下,在较大的能量窗口区域过滤自旋向上或向下的电子.增大局域交换场强度,自旋过滤效应所对应的能量区间显著增大.

双自旋过滤隧道结中的隧穿时间

基于自由电子近似和Winful的隧穿时间模型,研究了普通金属/自旋过滤层/非磁绝缘层/自旋过滤层/普通金属(NM/SF/I/SF/NM)双自旋过滤隧道结中自旋相关的居留时间(dwell time)和相位时间(phase time).分别以居留时间和相位时间随入射电子能量、势垒高度和势垒宽度、以及分子场大小的变化情况做了讨论.计算结果表明:在低能隧穿区域(入射电子的能量小于势垒高度),由于自旋相关的自相干项的影响,不同自旋方向电子的相位时间总是大于居留时间;在高能隧穿区域(入射电子的能量大于势垒高度),自旋相关的自相干项的影响减小,不同自旋方向电子的相位时间和于居留时间趋于一致.NM/SF/I/SF/NM双自旋过滤隧道结中的居留时间和相位时间基本不受非磁绝缘层势垒高度和宽度变化的影响,该现象不同于常规的铁磁金属/非磁绝缘层/铁磁金属(FM/I/FM)隧道结.但当非磁绝缘层势垒高度低于自旋过滤层势垒高度时,改变非磁绝缘层的势垒高度和宽度会使居留时间和相位时间出现相峰值,该峰值的出现与不同自旋方向电子的共振隧穿有关.自旋过滤层的势垒高度的变化对NM/SF/I/SF/NM双自旋过滤隧道结中的居留时间和相位时间影响大,但宽度变化的影响较小.自旋过滤层中分子场的变化对不同自旋方向的电子的居留时间和相位时间有明显影响,且上自旋电子的居留时间和相位时间随分子场的增大而减少,而下自旋电子的情况刚好相反.

双碳链体系中自旋过滤效应的第一性原理研究

采用第一性原理密度泛函理论方法研究了平行放置的双碳原子链体系中的自旋输运情况.将双碳原子链置于12个宽度锯齿型石墨烯纳米带组成的双电极中,研究发现:双碳原子链体系中的自旋过滤效果优于单条碳原子链体系中的自旋过滤效果;更重要的是,在单条碳原子链体系中,当左右电极磁性反平行时,没有自旋过滤效果,双碳链结构彻底改变了单碳链体系中这种情况,即在双碳链体系中,不管2个电极的磁性是平行结构还是反平行结构,自旋过滤效果都近100%,是非常好的自旋过滤电子器件.

连接构型对铬卟啉分子自旋过滤效应的调控

采用第一性原理方法对不同连接构型的铬卟啉分子电子自旋输运性质进行计算分析.结果表明,对角连接构型的铬卟啉分子在0~0.2V偏压区间范围内的自旋极化率高达95%以上,水平连接构型的导电性能比对角连接高约1个数量级.说明改变铬卟啉分子连接构型,可以改变电子自旋前线分子轨道分布和输运路径,从而实现其自旋过滤效应,对基于不同连接构型的铬卟啉分子器件的电子自旋输运性质进行有效调控.

隧道结中的自旋过滤效应

文章介绍了近年来自旋电子学中广泛研究的三种典型的隧道结,对其自旋过滤效应的物理机制进行了分析归类,在此基础上,给出了影响其过滤效果的主要因素。

双苯环分子自旋过滤效应第一性原理的研究

分子电子学是近十年来发展起来的一门新兴学科,当器件的尺寸进一步缩小到纳米尺度时,分子电子学有望成为传统电子学的补充甚至替代.利用密度泛函理论与非平衡态格林函数相结合的方法,研究了嵌于石墨烯纳米带电极间的双苯环分子器件的自旋输运性质.研究发现两电极磁矩平行和反平行时,器件有不同的输运性质.电极磁矩平行时出现完美的自旋过滤效应和明显的负微分电阻效应.

磁调制量子结构的自旋过滤特性

基于杂化磁调制量子结构,我们从理论上提出了一电子自旋过滤器,并研究了其自旋输运性质。实验上,其可以通过在半导体异质结表面沉积磁化方向不同的铁磁条带形成。通过对真实InAs材料系统的计算,发现这种系统具有很强的电子自旋极化效应,其自旋极化度在共振时几乎达到100%。因此,该结构可以用于电子自旋过滤器。

磁隧道结中的自旋过滤效应

量子隧穿效应是基本的量子现象之一,隧穿即电子隧穿势垒,即当电子的总能量小于势垒高度时,电子仍可穿过这一势垒。近年来,对于量子隧穿效应的研究引起了人们的关注,其中磁性隧道结(MTJs)中的量子隧穿输运现象是人们关注的热点。人们要想设计出具有较高的磁隧穿电阻(TMR)和完美自旋过滤效应的MTJs。本文简要的介绍了几种MTJs中的自旋过滤效应。

单自旋过滤隧道结中隧穿时间的研究

基于自由电子近似和Winful的隧穿时间模型,研究了铁磁金属/非磁绝缘体/自旋过滤层/普通金属(FM/I/SF/NM)单自旋过滤隧道结中自旋相关的居留时间(Dwell Time)和相位时间(Phase Time).计算结果表明,和传统的FM/I/FM结构不同,由于SF层的作用,在SF层和FM层中分子场处于反平行排列时上下自旋电子的透射率并不相等.在高能区(入射能量大于势垒高度),由于自干涉项影响大大减小,不同自旋方向电子的相位时间和居留时间趋于相同.在低能区(入射能量小于势垒高度),自干涉项影响增大,不同自旋方向电子的相位时间和居留时间会出现差别.其中非磁绝缘层和自旋过滤层的势垒高度,自旋过滤层的宽度以及自旋过滤层中分子场的变化,会导致上自旋电子的相位时间和居留时间出现明显差距.而对于下自旋电子,其相位时间和居留时间的不同,主要由自旋过滤层相应参数的变化决定,非磁绝缘层势垒高度变化的影响较小.

界面铁掺杂锯齿形石墨烯纳米带的自旋输运性能

基于密度泛函理论第一原理系统研究了界面铁掺杂锯齿(zigzag)形石墨烯纳米带的自旋输运性能,首先考虑了宽度为4的锯齿(zigzag)形石墨烯纳米带,构建了4个纳米器件模型,对应于中心散射区的长度分别为N=4,6,8和10个石墨烯单胞的长度,铁掺杂在中心区和电极的界面.发现在铁磁(FM)态,四个器件的β自旋的电流远大于α自旋的电流,产生了自旋过滤现象;而界面铁掺杂的反铁磁态模型,两种电流自旋都很小,无法产生自旋过滤现象;进一步考虑电极的反自旋构型,器件电流显示出明显的自旋过滤效应.探讨了带宽分别为5和6的纳米器件的自旋输运性能,中心散射区的长度为N=6个石墨烯单胞的长度,FM态下器件两种自旋方向的电流值也存在较大的差异,β自旋的电流远大于α自旋电流.这些结果表明:界面铁掺杂能有效调控锯齿形石墨烯纳米带的自旋电子,对于设计和发展高极化自旋过滤器件有重要意义.

磁电势垒结构中光场辅助电子自旋输运特性

基于Floquet理论和传输矩阵方法,理论研究了光场对电子隧穿两类磁电垒结构的自旋极化输运特性的影响,计算结果表明光场对两类磁电垒结构中电子的输运有显著影响:首先,原来不存在自旋过滤特性的结构应用光场后会产生低能区域明显的自旋过滤效应;其次,原来存在自旋过滤特性的结构应用光场后自旋过滤明显增强,增幅超过一个数量级.这些为新的自旋极化源的产生和自旋过滤现象的深入研究有一定的指导性意义.

磁调制半导体纳米体系中电子自旋输运

研究了一般的磁调制半导体纳米体系中电子自旋输运性质,其可以通过在半导体异质结表面沉积具有任意磁化方向的铁磁条带形成。通过对真实InAs材料系统的计算,发现这种系统具有很强的电子自旋极化效应,其自旋极化度在共振时超过80%。因此,我们的系统可以用于电子自旋过滤器。

双T型量子线的电子自旋极化输运性质

文章研究了一个由两个T型异质结串联耦合量子结构的自旋输运性质。该结构中含有Rashba自旋轨道耦合相互作用。在工作中,计算了电子在自旋极化入射和自旋非极化入射两种情况下,电子在出射端的自旋极化率随体系结构的变化。发现通过适当的设计结构,当电子自旋非极化入射时,在出射端可以得到高达0.9的自旋极化率。其物理机制来源于体系结构引起的电子干涉使自旋向上的电子和自旋向下的电子有不同的透射率。