自旋场效应晶体管的原理和研究进展

基于电子具有自旋的特性,介绍了自旋场效应晶体管的基本原理和研究进展;通过研究发现自旋场效应晶体管具有良好的电导开关效应,外加磁场后则呈现出磁开关效应．     

量子计算机硬件设计取得进展

具有自旋角动量的粒子的行为就像微小的磁棒 ,可在外磁场作用下取向 .传统的电子器件如晶体管只应用了电子的电荷进行工作 .物理学家们相信 ,开发粒子如电子和原子核的自旋 ,可发展出高效率的“自旋电子学系统” .目前 ,斯梅特 (Ｓｍｅｔ)和他的同事们已将这种器件的研究向前推进了一步 .他们发现在砷化镓半导体中 ,电子和原子核的自旋可由门电压予以控制 .这就与传统的晶体管中门电极控制半导体中电子的流动类似 .该研究组先以强磁场将所有电子的自旋取向后 ,再将整个装置降温到 2 0ｍＫ .通过调整磁场与门电压 ,斯梅特和他的同事们发现他…     

自旋晶体管——未来新型器件

 传统的半导体三极管(又称晶体三极管或晶体管)由两个PN结和三个电极构成,从结构上看有NPN和PNP两种基本类型.其工作原理是大家所熟知的.晶体管的成功研制极大的带动了半导体工业的发展.晶体管的应用已渗入到国民经济的各个领域.     

二维NiBr2单层自旋电子输运以及光电性质

磁性半导体材料在自旋电子器件领域具有重要的应用前景.本文设计了一些基于磁性半导体NiBr₂单层的纳米器件结构,并采用密度泛函理论结合非平衡格林函数方法,研究了其自旋输运和光电性质.结果表明,在不同的输运方向(扶手椅形和锯齿形),NiBr₂单层PN结二极管表现出明显的整流效应及自旋过滤效应,这两种效应在其亚3 nm PIN结场效应晶体管中也同样存在.NiBr₂单层PIN结场效应晶体管的电子传输受到栅极电压的调控,电流随着栅极电压的增大受到抑制.另外,NiBr₂单层对蓝、绿光有较强的响应,其光电晶体管在两种可见光的照射下可以产生较强的光电流.本文研究结果揭示了NiBr₂单层的多功能特性,为镍基二卤化物在半导体自旋电子器件和光电器件领域的应用提供了重要参考.     

Rashba自旋-轨道耦合调制的单层半导体纳米结构中电子的自旋极化效应

利用现代材料生长技术纳米厚的半导体可以沿着良好的方向有序生长,形成层状半导体纳米结构.在这种半导体纳米结构中由于结构反演对称性破缺出现较强的自旋-轨道耦合,能有效消除半导体中电子的自旋简并,导致电子自旋极化效应,在自旋电子学领域中具有重要的应用.本文从理论上研究了单层半导体纳米结构中由Rashba型自旋-轨道耦合引起的电子自旋极化效应.由于Rashba型自旋-轨道耦合,相当强的电子自旋极化效应出现在该单层半导体纳米结构中.自旋极化率与电子的能量和平面内波矢有关,尤其是其可通过外加电场或半导体层厚度进行调控.因此,该单层半导体纳米结构可作为半导体自旋电子器件应用中的可控电子自旋过滤器.     

稀磁半导体--自旋和电荷的桥梁

稀磁半导体可能同时利用载流子的自旋和电荷自由度构造将磁、电集于一体的半导体器件．尤其是铁磁半导体材料的出现带动了半导体自旋电子学的发展．室温铁磁半导体材料的制备，半导体材料中有效的自旋注入，以及自旋在半导体结构中输运和操作已成为目前半导体自旋电子学领域中的热门课题．稀磁半导体呈现出强烈的自旋相关的光学性质和输运性质，这些效应为人们制备半导体自旋电子学器件提供了物理基础．     

碳和氧掺杂紫磷烯作为双极磁性半导体材料的理论预测

紫磷烯是一种结构稳定且具有优异光电特性的新型二维材料,研究掺杂效应有助于理解其物理本质,对进一步开发纳米电子器件具有重要意义.本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了非金属元素B,C,N,O掺杂单层紫磷烯的电磁性质.计算结果表明,B和N掺杂之后没有产生磁性,体系依旧表现为非磁性半导体;而C和O掺杂导致体系发生自旋劈裂,紫磷烯由非磁性半导体转变成为双极磁性半导体,其自旋密度主要分布在磷原子和间隙区域内而非杂原子上.电场调控氧掺杂紫磷烯可使其载流子的自旋极化方向发生反转,当施加一定大小的正向或反向的静电场时,能带色散程度变强,氧掺杂紫磷烯转变成100%自旋极化向下或向上的单自旋半金属磁体.基于氧掺杂紫磷烯材料设计的场效应自旋滤通器可利用改变门电压方向的方法实现电流自旋极化方向的反转,表明氧掺杂紫磷烯有望成为二维自旋场效应晶体管、双极磁性自旋电子学器件、双通道场效应自旋滤通器以及场效应自旋阀的理想候选材料.     

磁电垒结构中自旋极化输运性质的研究

研究了电子隧穿几类磁电垒结构的自旋极化输运性质，导出统一的传输概率公式，揭示了非 均匀磁场的分布与自旋过滤的关系，同时表明采用有效朗德因子较大的半导体材料可以显著 增强磁电垒结构的自旋过滤效果. 关键词： 磁电垒 自旋过滤 自旋电子学 自旋极化     

多层结构双自旋过滤隧道结中的电子输运特性

在转移矩阵方法及Mireles和Kirczenow的量子相干输运理论的基础上,研究了正常金属层/磁性半导体层/非磁绝缘层/磁性半导体层/正常金属层型双自旋过滤隧道结中Rashba自旋轨道耦合效应和自旋过滤效应对自旋相关输运的影响.讨论了隧穿磁电阻（TMR）、隧穿电导与各材料层厚度、Rashba自旋轨道耦合强度以及两磁性半导体中磁矩的相对夹角θ之间的关系.研究表明：含磁性半导体层的双自旋过滤隧道结由于磁性半导体层的自旋过滤效应和Rashba自旋轨道耦合作用可获得极大的TMR值.另外TMR和隧穿电导随着Rashba自旋轨道耦合强度的变化而振荡,振荡周期随Rashba自旋轨道耦合强度的增大逐渐减小. 关键词： 双自旋过滤隧道结 Rashba自旋轨道耦合 隧穿磁电阻 隧穿电导     

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     

光自旋霍尔效应及其研究进展

光束在经过非均匀介质后,自旋角动量相反(左、右旋圆偏振)的光子在垂直于入射面的横向相互分离,造成光束的自旋分裂,这种现象叫做光自旋霍尔效应.它类似于电子系统中的自旋霍尔效应:自旋光子扮演自旋电子的角色,而折射率梯度则起外场作用.光自旋霍尔效应为操控光子提供了新的途径,在纳米光学、量子信息和半导体物理方面具有重要的应用前景;同时由于它与凝聚态和高能物理中的带电粒子自旋霍尔效应有高度的相似性和共同的拓扑根源,所以又为测量自旋霍尔效应这类弱拓扑现象提供了独特而又方便的机会.文章简单介绍了光自旋霍尔效应,并总结了近几年国内外的研究进展.     

用掺杂控制纳米管的行为

1988年，基于磁性金属多层膜的巨磁电阻(GMR)效应被发现．1977年IBM公司将GMR读出头引入到硬盘驱动器，从此这类利用电子自旋自由度更深层次的应用在于构成自旋晶体管，并且使得当今高度发展的硅基半导体技术继续发挥作用．在传统的场效应晶体管(FEI)中，门电极电压被用来控制源和漏两极之间的“通一断”，这是因为门电场能够将电子从通道中驱赶出去，使通道从异体变成绝缘体．在自旋FEI中，     

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.     

自旋电子学器件中的相对论效应

按照美国加州大学自旋电子学和量子计算研究中心教授AwschalomDD的观点,自旋电子学器件可以分为三个层次.其一是基于铁磁性金属的器件,其二则要求自旋注入半导体,其三是单电子自旋器件.自旋场效应晶体管(FET)属于上述第二类(目前,它还只是一个设计方案) ,它要求通过门电极电场控制源-漏极之间电子自旋的进动,而不像在传统的FET中,通过门电场的静电力控制电流通道中载流子的浓度.它们的基本差别在于,前者涉及到相对论效应.静止的小磁体(如电子自旋)只能因磁场的作用而取向,它们不会受到电场的影响.然而,当一个电子在两块平行电容极板之间…     

自旋电子学和相干态

自旋电子学是近年来发展起来的一个新研究领域,它研究固体,特别是半导体中的电子自旋相干态,实验发现,自旋相干态能够保持足够长的时间（几百ps量级）,因此有可能用来制造一个固态的量子计算机,但是制造实际的自旋电子器件,首先需要解决的是将自旋极化电子（或穴穴）注入半导体中的方法和如何检测它们。     

半导体中自旋轨道耦合及自旋霍尔效应

本文主要评述和介绍半导体微结构中自旋轨道耦合的研究和最近的研究进展。我们细致地讨论了半导体微结构中自旋轨道耦合的物理起源和窄带隙半导体量子阱中的自旋霍尔效应。我们发现目前国际上广泛采用的线性Rashba模型在较大的电子平面波矢处失效:即自旋轨道耦合导致的能带自旋劈裂不再随电子波矢的增加而增加,而是开始下降,即出现强烈的非线性行为。这种非线性的行为起源于导带和价带间耦合的减弱。这种非线性行为还会导致电子的D’yakonov-Perel’自旋弛豫速率在较高能量处下降,与线性模型的结果完全相反。在此基础上,我们构造统一描述电子和空穴自旋霍尔效应的理论框架。我们的方法可以非微扰地计入自旋轨道耦合对本征自旋霍尔效应的影响。我们将此方法应用于强自旋轨道耦合的情形,即窄带隙CdHgTe/CdTe半导体量子阱。我们发现调节外电场或量子阱的阱宽可以作为导致量子相变和本征自旋霍尔效应的开关。我们的工作可能会为区别和实验验证本征自旋霍尔效应提供物理基础。     

自旋注入有机物的扩散理论

根据自旋注入半导体的相关理论， 考虑到有机体内可能同时含有带自旋的单极化子和不带自旋的双极化子两种载流子，从扩散 理论和欧姆定律出发，建立了自旋注入有机体的唯象模型.通过计算发现，适当选择铁磁层极化率或两层的电导率可以使得有机层内电流具有高的自旋极化.进一步研究了单极化子浓度等因素对注入电流极化的影响. 关键词： 自旋电子学 自旋注入 有机聚合物 极化子     

自旋轨道耦合系统中的自旋流与自旋霍尔效应

作为自旋电子学的重要研究内容,如何在固态系统中产生、操控以及探测自旋流引起了研究人员的广泛兴趣.基于自旋轨道耦合的自旋霍尔效应为在非磁性半导体中产生自旋流提供了一种有效途径.然而,在具有自旋轨道耦合的系统中,自旋流并不守恒.如何理解这点并恰当地表述相应的连续性方程,成为自旋输运研究的基本问题之一.本文主要综述自旋轨道耦合系统中自旋流与自旋霍尔效应方面的研究进展.引入SU(2)规范势后,自旋流满足协变形式的连续性方程,该方程保证了SU(2)Kubo公式在不同规范固定下的自洽性.利用SU(2)场强张量,可以直接得到自旋密度和自旋流在SU(2)外场中受到的白旋力,该力在只有U(1)磁场时对应于Stern-Gerlach力.由于依赖杂质散射的外在自旋霍尔效应很难被利用,内在自旋霍尔效应的概念被提出:在非磁半导体中,U(1)电场会诱导出自旋流并导致系统边缘处的自旋积累.自旋霍尔效应已经在半导体和金属材料中被观察到.虽然在干净的二维电子气中自旋霍尔电导率是一普适常数e/8π,但杂质对它的影响却引起了人们的高度关注.通过引入退相干效应,自旋霍尔效应中杂质效应的一些令人困惑的理论结果,则得到清晰的解释.此外,本文还将介绍具有层间隧穿的双层二维电子气中的自旋输运现象.在能量简并点附近,自旋霍尔电导率和隧穿白旋电导率均会出现共振现象.当两层间的杂质势强度存在差异时,隧穿自旋电导率随门压的变化曲线呈现出非对称性,显示出自旋二极管效应.     

半导体中自旋轨道耦合及自旋霍尔效应

本文主要评述和介绍半导体微结构中自旋轨道耦合的研究和最近的研究进展。我们细致地讨论了半导体微结构中自旋轨道耦合的物理起源和窄带隙半导体量子阱中的自旋霍尔效应。我们发现目前国际上广泛采用的线性Rashba模型在较大的电子平面波矢处失效：即自旋轨道耦合导致的能带自旋劈裂不再随电子波矢的增加而增加,而是开始下降,即出现强烈的非线性行为。这种非线性的行为起源于导带和价带间耦合的减弱。这种非线性行为还会导致电子的D’yakonov Perel’自旋弛豫速率在较高能量处下降,与线性模型的结果完全相反。在此基础上,我们构造统一描述电子和空穴自旋霍尔效应的理论框架。我们的方法可以非微扰地计入自旋轨道耦合对本征自旋霍尔效应的影响。我们将此方法应用于强自旋轨道耦合的情形,即窄带隙CdHgTe／CdTe半导体量子阱。我们发现调节外电场或量子阱的阱宽可以作为导致量子相变和本征自旋霍尔效应的开关。我们的工作可能会为区别和实验验证本征自旋霍尔效应提供物理基础。     

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.