II-VI族稀磁半导体微纳结构中的激子磁极化子及其发光

自旋是基本粒子（电子、光子）角动量的内在形式.固体中体现自旋特征的集体电子行为如拓扑绝缘体等是当前凝聚态物理领域关注的焦点,是基态行为.激子作为电子空穴对的激发态且寿命很短,可复合发光,它是否能体现自旋极化主导的行为?对此人们的认识远不如针对基态的电子.激子磁极化子（exciton magnetic polaron,EMP）是由磁性半导体微结构中铁磁自旋耦合态与自由激子相互作用形成的复合元激发,但其研究很有限.本文概述了我们在稀磁半导体微纳米结构中的EMP及其发光动态学光谱、自旋极化激子凝聚态的形成方面取得的一些进展,展望了未来可能在自旋光电子器件、磁控激光、光致磁性等量子技术方面的潜在应用.     

过渡金属掺杂的扶手椅型氮化硼纳米带的磁电子学特性及力-磁耦合效应

基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了多种过渡金属(TM)掺杂扶手椅型氮化硼纳米带(ABNNR-TM)的结构特点、磁电子特性及力-磁耦合效应.计算的结合能及分子动力学模拟表明ABNNRTM的几何结构是较稳定的,同时发现对于不同的TM掺杂,ABNNRs能表现出丰富的磁电子学特性,可以是双极化磁性半导体、一般磁性半导体、无磁半导体或无磁金属.双极化磁性半导体是一种重要的稀磁半导体材料,它在巨磁阻器件和自旋整流器件上有重要的应用.此外,力-磁偶合效应研究表明:ABNNR-TM的磁电子学特性对应力作用十分敏感,能实现无磁金属、无磁半导体、磁金属、磁半导体、双极化磁性半导体、半金属等之间的相变.特别是呈现的宽带隙半金属对于发展自旋电子器件有重要意义.这些结果表明:可以通过力学方法来调控ABNNR-TM的磁电子学特性.     

自旋极化度对GaAs量子阱中吸收饱和效应与载流子复合动力学的影响研究

本文研究了(001) GaAs量子阱薄膜中重空穴激子近共振抽运-探测的载流子自旋弛豫动力学, 发现载流子的自旋极化对传统的线偏振光吸收饱和效应和载流子复合动力学都有影响. 进一步的抽运流依赖的自旋弛豫和复合动力学研究表明, 自旋极化对线偏振光的吸收饱和效应的影响随抽运流降低而变弱. 在低激发流时, 自旋极化对线偏振吸收饱和效应的影响才可忽略. 然而, 又显现出自旋极化对复合动力学的影响. 分析表明复合动力学的自旋极化依赖性起源于重空穴激子形成浓度的自旋极化依赖性. 复合动力学的自旋极化依赖性表明自旋弛豫时间计算中所涉及的复合时间应该使用自旋极化载流子的复合时间. 基于二维质量作用定律的激子浓度计算表明, 库仑屏蔽效应对激子形成的影响在较低激发载流子浓度下可以忽略.     

自旋电子学和计算机硬件产业

1988年发现的巨磁电阻(GMR)效应,是基于自旋的新电子学的开始.文章介绍观察效应的物理基础,以及这些效应和材料在信息存储上的应用.GMR硬盘(HDD)已经形成了数十亿美元的工业;其后发现的室温隧道磁电阻(TMR)效应已用于制造新的磁随机存储器(MRAM),它正在开创另一个数十亿美元的工业.自旋电子学研究的物理对象是自旋向上和自旋向下的载流子,而传统半导体电子学的对象是电荷为正和电荷为负的载流子,即空穴和电子.电子自旋特性进入半导体电子学,为新的器件创造了机会.为了成功地将电子自旋结合到半导体微电子技术中去,需要解决磁性原子自旋极化状态的控制,以及自旋极化载流子电流的有效注入、传输、控制、操纵和检测.评述了基于电子自旋的新器件原理、新材料的探索以及自旋相干态的光学操纵.     

金属-氧化物界面在磁隧道结中的作用

磁隧道结通常是指由两层磁性金属和它们所夹的一层氧化物绝缘层 (Ⅰ )所组成的三明治结构 .通过绝缘层势垒的隧穿电子是自旋极化的 ,这种自旋极化能够反映作为电极的铁磁金属费米能级处态密度 (ＤＯＳ)的变化 .起源于自旋极化的隧道磁阻(ＴＭＲ)效应已成为当代磁学的一个研究热点 .尽管目前在ＴＭＲ的研究和应用方面已有所发展 ,但在理解隧穿自旋极化方面还存在一定的分歧 ,争论的焦点是金属 -氧化物界面对自旋极化的影响 .对于Ｃｏ、Ｎｉ等铁磁金属 ,由于多数自旋电子所处的ｄ带位于费米能级之下 ,理论预期其自旋极化应该是负的 .然而Ｆ/Ａ…     

碳掺杂BaTiO3的电子结构和磁性研究

基于密度泛函理论,从头计算了C间隙和替位氧掺杂立方结构BaTiO3的电子结构和磁学性质．结果表明C掺杂BaTiO3在自旋极化状态下的总能量比自旋非极化状态下的总能量小,说明C掺杂BaTiO3的基态具有铁磁性．从态密度和自旋电子密度分布可知,C位于BaTiO3间隙的磁性机理和过渡金属掺杂半导体产生磁性的机理类似：C替位掺杂BaTiO3体系磁性源于未配对的C2p电子．     

自旋电子学研究与进展

自旋电子学是最近几年在凝聚态物理中发展起来的新学科分支,它研究在固体中自旋自由度的有效控制和操纵,在金属和半导体中自旋极化、自旋动力学、自旋极化的输运和自旋电子检测.由于它在信息存储方面的重大应用前景,受到学术界和工业界的高度重视.文章扼要地介绍了自旋电子学发展的历程和发展中的最重要的发现.最近几年,最奇特的发现和最重要的应用莫过于巨磁电阻,薄膜领域纳米技术的迅速发展使巨磁电阻的应用变成可能.作为磁记录头它已使硬磁盘的记录密度提高到170Gbit/in2.动态随机存储器MRAM的研究已实现16Mbit的存储密度.     

磁性半导体/磁性d波超导结中的自旋极化输运

通过求解磁性d波超导中的能隙与磁交换能的自恰方程,利用推广的Blonder-Tinkham-Klapwijk 理论研究磁性半导体/磁性d波超导结中自旋极化准粒子输运系数与微分电导. 计算表明： 1) 磁性d波超导结中的磁交换能h₀可导致零偏压电导峰与能隙电导峰劈裂,劈裂的宽度为2h₀;2) 磁性半导体中的磁交换能h_FS可使零偏压电导峰劈裂的峰值变低. 而由能隙电导峰劈裂的两个子峰,当两种磁性材料的磁 关键词： 磁性半导体 磁性d波超导体 自旋极化输运     

半导体超晶格系统中的磁电调控电子自旋输运研究

通过采用转移矩阵方法求解自旋电子隧穿过程,理论研究了半导体超晶格系统中电子自旋输运的磁电调控行为.结果表明：仅对超晶格系统施以磁调制,隧穿系数将出现自旋分裂,随磁场增强,电导自旋极化率变大且展宽于费米能区;若选取不变磁场情况,同时施以间隔周期电场调制,超晶格的电子极化率将有更为显著地提高.进一步发现,随电场强度的改变,电子自旋输运行为显然存在两个明显不同区域,下自旋电子将在不同调制区域表现为不同的变化趋势.然而,若对周期磁超晶格施加间隔两周期的电调制,自旋电导输运的临界行为消失,电导极化率在高能区的共振峰 关键词： 半导体超晶格 自旋输运 磁电调控     

自旋转移矩效应激发的非线性磁化动力学

本文基于宏观磁矩(macrospin)的Landau-Lifshitz-Gilbert方程,模拟研究了磁性自旋阀结构中由垂直膜面流向的自旋极化电流所激发的磁化转动动力学特性.直流自旋极化电流借助自旋转移矩效应可驱动磁矩翻转或作周期性振荡,交流电可以激发出具有混沌行为的磁矩振荡.展示了磁矩振荡行为随电流强度变化而发生倍周期分岔、直至混沌振荡的行为规律. 关键词： 自旋转移矩效应 微磁模拟 磁性自旋阀 混沌     

MuSR技术在凝聚态物理中的应用

缪子自旋弛豫/旋转(MuSR)实验技术利用缪子的自旋,在原子尺度上研究样品内部磁场的静态分布和动态涨落。文章介绍MuSR实验技术在凝聚态物理中的应用,阐述了MuSR在磁性、超导材料中发现的独特信息,包括磁有序、内部磁场分布、具有特定频率范围的自旋涨落,以及在半导体材料中获得杂质的电子状态和位置。这些应用表明 MuSR 对于理解关联电子材料复杂的物理现象及其物理机制具有重要意义。     

自旋和电荷分别掺杂的新一类稀磁半导体研究进展

稀磁半导体兼具半导体材料和磁性材料的双重特性,是破解摩尔定律难题的方案之一.我们团队通过提出自旋和电荷分别掺杂的机制,研制发现了一类新型稀磁半导体材料,为突破经典稀磁半导体材料自旋和电荷一体掺杂引起的材料制备瓶颈提供了有效解决方案.(Ba,K)(Zn,Mn)_2As_2(BZA)等新型稀磁半导体通过等价掺杂磁性离子引入自旋、异价非磁性离子掺杂引入电荷,实现了230 K的居里温度,刷新了可控型稀磁半导体的居里温度记录.本文重点介绍1)几种代表性的自旋和电荷掺杂机制分离的新型稀磁半导体的发现与研制; 2)新型稀磁半导体的μ子自旋弛豫与高压物性结构的调控; 3)大尺寸单晶生长、基于单晶的安德烈夫异质结研制以及自旋极化率的测量.通过新材料设计研制、综合物性研究、简单原型器件构建的"全链条"模式研究,开拓了自旋电荷分别掺杂的稀磁半导体材料研究领域,展现了这类新型稀磁半导体材料潜在的光明前景.     

自旋极化有机电致发光器件中单线态与三线态激子的形成及调控

由于有机半导体（OSC）材料自旋弛豫时间长、自旋扩散长度大,OSC自旋器件逐渐成为研究热点.对于有机电致发光器件（OLED）,通过自旋极化电极调控单线态和三线态激子比率是提高其效率的有效方法.本文从漂移扩散方程和载流子浓度连续性方程出发,结合朗之万定律建立了一个自旋注入、输运、复合的理论模型.计算了OSC中的极化电子、空穴浓度,得出了单线态和三线态激子的比率.分析了电场强度、自旋相关界面电导、电极和OSC电导率匹配和电极极化率等因素的影响.计算结果表明：两电极注入反向极化的载流子并提高载流子自旋极化率,有     

基于赫斯勒合金Co_2MnSi电极的磁性隧道结呈现巨磁阻效应（英文）

本文基于电子密度泛函理论计算和非平衡态格林函数技术研究了具有三明治结构的磁性隧道结构(非极化SrTiO_3薄层被夹在两个赫斯勒合金Co_2 MnSi电极之间)的自旋极化输运特性.理论计算结果清楚地表明磁平行组态的磁性隧道结呈现出几乎完美的自旋过滤效应.磁反平行组态的隧穿系数比磁平行组态的隧穿系数小几个数量级,导致体系的磁阻比高达10~6.电子结构计算分析表明该磁性隧道结的巨磁阻效应源自赫斯勒合金Co_2MnSi电极内在的半金属性、以及阻挡层和电极之间界面处过渡金属原子3d电子的显著自旋极化.     

一维铁磁/有机共轭聚合物的自旋极化研究

针对最近关于自旋注入有机体的实验研究，理论上计算了有机分子与磁性原子接触时的自旋极化现象.通过调节磁性原子的自旋劈裂强度，发现有机分子链内的自旋极化弱于金属链，但强于半导体链.同时还研究了有机分子链内自旋极化随电子-声子耦合强度的变化关系以及界面耦合的自旋相关效应. 关键词： 界面耦合 自旋极化 自旋劈裂     

高聚物中极化子和三重态激子的碰撞过程研究

采用一维紧束缚近似的SSH模型,计算了不同强度的电场下高聚物中一个负电极化子和一个三重态激子的碰撞过程.结果表明,碰撞后体系仍保持为极化子和三重态激子状态的几率最大,束缚在极化子缺陷中的电子有较大的几率被激发到导带形成自由电子,另外,三重态激子有一定的几率被极化子湮灭形成极化子激发态.极化子和激子的碰撞对极化子的稳定性有影响,还会使能隙中出现新的能级.由于极化子激发态可以通过辐射跃迁回到基态,因此碰撞会对高聚物的电致发光效率产生一定影响.研究结果对于理解高聚物中极化子的输运性质和高聚物的发光性质具有一定的 关键词： 极化子 激子 高聚物     

层状铁磁体Fe_(0.26)TaS_2的Andreev反射谱

如何避免界面反应、可靠地提取材料的自旋极化率是自旋电子学的一个基本问题.本文选取了一种独特的铁磁性层状过渡族金属硫化物Fe_(0.26)TaS_2,研究了单晶材料的磁性、电子输运和Andreev反射谱.磁性和输运结果表明,低温下Fe_(0.26)TaS_2单晶存在强磁各向异性、双峰磁电阻和反常霍尔效应.通过干法转移方案制备的干净界面的Fe_(0.26)TaS_2超导异质结的Andreev反射谱,发现该材料的自旋极化率为47%±7%.本文展示的干法转移制备超导/磁性异质结的方法可广泛用于测量各种二维磁性材料的自旋极化率.     

氧化物稀磁半导体的研究进展

稀磁半导体是一种能同时利用电子的电荷和自旋属性,并兼具铁磁性能和半导体性能的自旋电子学材料。本文主要介绍ZnO、In2O3等氧化物稀磁半导体的研究进展,一是从实验角度介绍其制备、结构、磁性、电输运性质等特性;二是从理论角度对其磁交换能、电子结构、居里温度和磁性产生的机制进行阐述;三是在稀磁半导体的基础上进一步延伸,介绍其相关的异质结构的磁电阻效应,并在文章的最后对氧化物稀磁半导体的研究进行总结和展望。     

氮化硼纳米带功能化碳纳米管的热自旋输运性质

热自旋电子学器件结合了自旋电子学和热电子学各自的优点,对人类可持续发展具有重要作用.本文研究了锯齿形BN纳米带(ZBNRs)共价功能化碳纳米管(SWCNT)的电子结构,发现ZBNRs-B-(6,6)SWCNT为磁性半金属,nZBNRs-B-(6,6)SWCNT(n=2—8)为磁性金属;nZBNRs-N-(6,6)SWCNT(n=1—8)为双极化铁磁半导体;4ZBNRs-B-(4,4)SWCNT和4ZBNRs-N-(4,4)SWCNT为磁性半金属,4ZBNRs-B-(m,m)SWCNT(m=5—9)为磁性金属;4ZBNRs-N-(m,m)SWCNT(m=5—9)为双极化铁磁半导体.然后,基于锯齿形BN纳米带共价功能化碳纳米管设计了新型热自旋电子学器件,发现基于ZBNRs-N-(6,6)SWCNT的器件具有热自旋过滤效应;而8ZBNRs-N-(6,6)SWCNT和nZBNRs-B-(6,6)SWCNT(n=1,8)都存在自旋相关塞贝克效应.这些发现表明BN纳米带功能化碳纳米管在热自旋电子学器件方面具有潜在的应用.     

三角形石墨烯量子点阵列的磁电子学特性和磁输运性质

基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了三角形石墨烯纳米片用不同连接方式拼接而成的四种一维量子点阵列(1D QDAs)的磁电子学性质和磁输运性质.结合能计算表明所有1D QDAs是非常稳定的.特别是研究发现1D QDAs的电子和磁性质不仅依赖于磁性态,也明显依赖于连接方式,如在无磁态时,不同量子点阵列(QDAs)可为金属或窄带隙半导体.在铁磁态时,不同QDAs能为半金属(half-metal)或带隙不同的双极化磁性半导体.而在反铁磁态时,不同QDAs为带隙不等的半导体.这些结果意味着连接方式对有效调控纳米结构电子和磁性质扮演重要的角色.1D QDAs呈现的半金属或双极化磁性半导体性质对于发展磁器件是非常重要的,而这些性质未曾在本征石墨烯纳米带中出现.同时,我们也研究了一种阵列的磁器件特性,发现其拥有完美的(100%)单或双自旋过滤效应,尤其是呈现超过109%的巨磁阻效应.