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.     

不同方向局域交换场对锡烯自旋输运的影响

利用非平衡格林函数方法,理论研究了多种组合形式的局域交换场对锡烯纳米带自旋输运性质的影响.研究表明锡烯自旋相关电导、边缘态和体能带都显著地依赖于不同区域交换场的方向和强度.在[Ⅰ:±Y,Ⅱ:+Z,Ⅲ:±Y]方向交换场的共同作用下,边缘态受Y方向交换场影响形成带隙,禁带宽度与交换场强度M成正比,在-M SOSO保持电导平台G_σ=e~2/h.     

锯齿型石墨烯纳米窄带中量子霍尔体系的电场调控

应用含自洽格点在位库仑作用的Kane-Mele模型,研究锯齿型石墨烯纳米窄带平面内横向电场对边界带能带结构和量子自旋霍尔(QSH)体系的影响.研究结果显示,当电场强度较弱时,外加电场的方向可以调控自旋向下的两个边界带一起朝不同方向移动,导致波矢q=0.5处自旋向下的两个纯边界态的能量简并劈裂方向可由电场调控;当电场强度进一步增强到超过0.69 V/nm,自旋向下的两个边界带出现较大带隙,能带反转,而自旋向上的电子结构无能隙,系统呈现半金属性,同时QSH体系不再是B类.特别当电场强度为1.17 V/nm时,在自旋向下能带的能隙中,q=0.5处存在自旋向上的纯边界态,意味着在8格点边界处可以产生自旋向上的纯边界电流.当电场强度持续增加时,QSH系统从B类到C类经历3个阶段的变化.当电场强度超过1.42 V/nm后,自旋向上的两个边界带也出现能带反转,分别成为导带和价带,系统成为C类的普通量子霍尔体系.     

门电压控制的硅烯量子线中电子输运性质

硅烯是由单层硅原子形成的二维蜂窝状晶格结构,具有石墨烯类似的电学性质,由于硅烯中存在比较强的自旋轨道耦合而备受关注.本文利用非平衡格林函数方法研究了门电压控制的硅烯量子线中电子输运性质和能带结构.研究发现,只有在较强的门电压下,而且硅烯量子线具有较好的锯齿形或扶手椅形边界而不存在额外硅原子时,硅烯量子线中才存在无能隙的自旋极化边缘态.另外,计算结果表明这种门电压控制的硅烯量子线中边缘态在每个能谷处自旋是极化的.这些计算结果将为实验上利用电场制作硅烯纳米结构提供理论支持.     

B与N掺杂对单层石墨纳米带自旋极化输运的影响

通过第一性原理计算研究了具有锯齿状边沿并且具有反铁磁构型的单层石墨纳米带的自旋极化输运.研究发现,在中心散射区同一位置掺入单个B和N原子,尽管对整个体系磁矩的影响完全相同,但对两个自旋分量电流的影响却完全相反.掺B时,自旋向上的电流显著大于自旋向下的电流;而掺N时,自旋向下的电流显著大于自旋向上的电流.这是由于不管掺B还是掺N都将打破自旋简并,使得导带和价带中自旋向上的能级比自旋向下的能级更高.掺B引入空穴,使完全占据的价带变为部分占据,从而自旋向上的能级正好处于费米能级,使得电子透射能力更强、电流更大,而自旋向下的能级则离费米能级较远使电子透射的能力较弱.掺N则引入电子,使得原来全空的导带变为部分占据,从而费米能级穿过导带中自旋向下的能级,使得自旋向下的电子比自旋向上的电子透射能力更强. 关键词： 自旋极化输运 单层石墨纳米带 第一性原理 非平衡格林函数     

本征GaAs中电子自旋极化的能量演化研究

采用时间分辨圆偏振光抽运-探测光谱,研究9.6 K温度下本征GaAs中电子自旋相干弛豫动力学,发现反映电子自旋相干的吸收量子拍的振幅随光子能量的增加呈非单调性变化.考虑自旋极化依赖的带填充效应和带隙重整化效应,发展了圆偏振光抽运-探测光谱的理论模型.该模型表明量子拍的振幅依赖于所探测能级的电子初始自旋极化度,自旋探测灵敏度以及带填充因子,三者的乘积导致了量子拍振幅的非单调变化,与实验结果一致.给出了能级分裂的二能级系统中电子自旋极化度定义.发现在高能级上可以获得100%的初始电子自旋极化度. 关键词： 圆偏振光抽运-探测光谱 吸收量子拍 电子自旋极化度 GaAs     

基于石墨烯电极的Co-Salophene分子器件的自旋输运

采用基于非平衡格林函数结合第一性原理的密度泛函理论的计算方法,研究了基于锯齿型石墨纳米带电极的Co-Salophene分子器件的自旋极化输运性质.计算结果表明,当左右电极为平行自旋结构时,自旋向上的电流明显大于自旋向下的电流,自旋向下的电流在[-1V,1V]偏压下接近零,分子器件表现出优异的自旋过滤效应.与此同时,在自旋向上电流中发现负微分电阻效应.当左右电极为反平行自旋结构时,器件表现出双自旋过滤和双自旋分子整流效应.除此之外,整个分子器件还表现出较高的巨磁阻效应.通过分析器件的自旋极化透射谱、局域态密度、电极的能带结构和分子自洽投影哈密顿量,详细解释该分子器件表现出众多特性的内在机理.研究结果对设计多功能分子器件具有重要的借鉴意义.     

非共振圆偏振光作用下单层二硫化钼电子结构及其自旋/谷输运性质

基于紧束缚近似下的低能有效哈密顿模型和久保线性响应理论,研究了外部非共振圆偏振光作用下单层二硫化钼(MoS_2)电子结构及其自旋/谷输运性质.研究结果表明:单层MoS_2布里渊区K谷和K′谷附近自旋依赖子带间的能隙随着非共振右旋圆偏振光引起的有效耦合能分别线性增大和先减小后增大,随着非共振左旋圆偏振光引起的有效耦合能分别先减小后增大和线性增大,实现了系统能带结构有趣的半导体-半金属-半导体转变.此外,单层MoS_2在外部非共振圆偏振光作用下,呈现有趣的量子化横向霍尔电导和自旋/谷霍尔电导,自旋极化率在非共振右/左旋圆偏振光有效耦合能±0.79 eV附近达到最大并发生由正到负或由负到正的急剧转变,谷极化率随着非共振圆偏振光有效耦合能先增大后减小并在其绝对值0.79-0.87 eV范围内达到100%.因而,可以利用外部非共振圆偏振光将单层MoS_2调制成自旋/谷以及光电特性优异的新带隙材料.     

磁性硅烯超晶格中电场调制的谷极化和自旋极化

研究了基于硅烯的静电势超晶格、铁磁超晶格、反铁磁超晶格中谷极化、自旋极化以及赝自旋极化的输运性质,分析了铁磁交换场、反铁磁交换场以及化学势对输运性质的影响,讨论了电场对谷极化、自旋极化以及赝自旋极化的调控作用.结果表明:当3种超晶格的晶格数达到10以上时,在硅烯超晶格中很容易实现100%的谷极化、自旋极化和赝自旋极化,而且通过调节超晶格上的外加电场可以使极化方向发生翻转,从而在硅烯超晶格中实现外电场对谷自由度、自旋自由度以及赝自旋自由度的操控.     

蒽二噻吩分子连接铁磁锯齿边碳化硅纳米带的巨幅度自旋整流

利用非平衡格林函数结合密度泛函理论,研究了顺式蒽二噻吩和反式蒽二噻吩分子连接锯齿边碳化硅纳米带的自旋输运特性,并在铁磁场下观察到自旋向上和自旋向下具有同方向的自旋整流特性.在铁磁场下,边缘碳原子或者硅原子双氢原子钝化可以改变锯齿边碳化硅纳米带的本征金属性,使其转变为半导体.顺式蒽二噻吩器件和反式蒽二噻吩器件的自旋向上电流-电压特性可以呈现显著的自旋整流效应,相应的最大自旋整流比分别接近10¹¹和10¹⁰.此外,由于自旋向上和自旋向下电流值之间的巨大差异,两个器件的电流-电压特性都在正偏压区域呈现出完美的自旋过滤行为.以上发现对未来设计自旋功能分子器件具有重要意义.     

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.     

Cr掺杂浓度对AlN半金属性影响的第一性原理研究

本文基于密度泛函理论的第一性原理方法, 在广义梯度近似(GGA)下计算了掺杂过渡金属Cr原子后AlN晶体自旋极化的能带结构、分态密度等性质. 结果表明, 半金属能隙随着掺杂浓度的增大而减小. 文中以掺杂浓度为12.5%的Cr-AlN(2×2×1)为例, 分析了其自旋极化的能带结构、分态密度和磁矩等性质, 发现Cr-3d电子对自旋向下子带导带底的能量位置起决定作用. 随着掺杂浓度的增大, Cr原子间相互作用增强, Cr-3d能带向两边展宽, 导致自旋向下子带导带底的能量位置下降, 从而半金属能隙变窄.     

Cr掺杂浓度对AlN半金属性影响的第一性原理研究

本文基于密度泛函理论的第一性原理方法, 在广义梯度近似(GGA)下计算了掺杂过渡金属Cr原子后AlN晶体自旋极化的能带结构、分态密度等性质. 结果表明, 半金属能隙随着掺杂浓度的增大而减小. 文中以掺杂浓度为12.5%的Cr-AlN(2×2×1)为例, 分析了其自旋极化的能带结构、分态密度和磁矩等性质, 发现Cr-3d电子对自旋向下子带导带底的能量位置起决定作用. 随着掺杂浓度的增大, Cr原子间相互作用增强, Cr-3d能带向两边展宽, 导致自旋向下子带导带底的能量位置下降, 从而半金属能隙变窄.     

有机器件电流自旋极化放大性质研究

基于自旋扩散漂移方程,考虑到电场的影响及有机半导体中特殊的载流子电荷自旋关系, 对一个简单的T型结构有机自旋器件模型进行了理论研究,得出了此有机器件的电流自旋 极化放大率表达式.研究表明,器件中极化子比率、电场和电流密度都会影响器件的电流 自旋极化放大率,通过调节此有机器件的电场和极化子比率可以获得较大的电流自旋 极化放大率.     

应力下MnGa合金体电子性质及磁性质的研究

采用密度泛函理论方法系统研究分析了四方结构MnGa合金体在a轴1GPa应力下的结构、形成、电子性质和磁性质.结果表明,应力下MnGa合金a, b轴晶格参数增大,c轴晶格参数减小,三轴夹角有偏离90°的趋势,晶胞体积增大. Mn-Ga不成键,Mn-Mn之间的强键作用进一步增强,Ga-Ga之间的强键作用消失. Mn-Mn结合键长和Ga-Ga结合键长均减小,而Mn-Ga间距增大,排斥作用减弱.应力下MnGa合金形成焓由-4.85 eV减小到-5.4 eV,其更容易生成.应力下其能带整体向下移动,导带和浅能级价带分布较宽,有效质量较小;深能级价带分布较窄,有效质量较大.自旋向下的电子能带没有带隙,自旋向上的电子能带有0.26 eV的间接带隙. s电子和p电子主要形成导带和浅能级价带,自旋极化较弱,d电子主要形成深能级价带,定域性和自旋极化最强.两种占位的Ga具有近乎相同的电子形态,Ga的s电子和Ga的p电子产生较明显的自旋极化,形成弱的磁性,Ga的d电子主要贡献深能级处的态密度,基本不贡献磁性质.两种占位的Mn主要贡献费米能处的态密度,Mn的d电子自旋极化最强,在费米能级下方Mn1自旋向下的电...     

圆偏振光伏效应

自旋电子学和谷电子学作为半导体物理的新方向,旨在利用电子的自旋和谷自由度来实现新型的逻辑运算和信息处理.圆偏振光伏效应是近年来研究自旋电子学和谷电子学的重要实验手段,也是实现新型的自旋与谷存储器件的一个可能的方式,为下一代的器件信息的处理方法提出了一种新的可能.圆偏振光伏效应是一种二阶非线性光电响应,是指材料在圆偏振光的激发下产生随偏振角度变化的光电流.光电流的产生依赖于自旋、谷极化、对称性以及Berry曲率等诸多因素,可以揭示出材料深层次的物理性质.本篇综述主要讨论了在不同材料体系产生圆偏振光伏效应的主要机制,包括在半导体异质结由对称性破缺导致的Rashba自旋轨道耦合引起的圆偏振光电流,以及拓扑Weyl半金属由Berry曲率以及泡利阻塞造成的电子动量选择,以及二维层状过渡金属硫化物中圆偏振光产生的谷极化电流等.在此基础上,本文还简略介绍了一些新型二维材料中的圆偏振光伏效应的可能实现的方式,以及一些潜在的应用.     

非相干耦合热电光伏光折变空间孤子对(英文)

基于无偏压光伏光折变晶体,理论研究了热电效应和光伏效应共同作用下的稳态空间孤子对.从非相干耦合波方程出发,推导了热电光伏孤子对的数值解;采用有限差分方法,数值模拟了各类孤子对的强度包络.结果表明:在自散焦光伏光折变晶体中,当正的热电场远大于光伏场时,亮-亮孤子对可以存在;当暗-暗或者灰-灰孤子对存在时,负的热电场可以增强自散焦效应,进而减小孤子的半峰全宽.各类孤子对的半峰全宽可以通过改变热电场的大小而加以操控.此外,非相干耦合热电光伏孤子对可以在一定条件下分别退化成热电孤子对或者光伏孤子对.借助晶体的热电效应,可以使光折变晶体LiNbO3从自散焦转变成自聚焦,从而灵活控制晶体中孤子对的特性.     

本征GaAs中电子自旋极化对电子复合动力学的影响研究

采用时间分辨圆偏振光和线偏振光抽运-探测光谱,研究了9.6 K温度下本征GaAs中自旋极化电子与非极化电子的复合动力学及其随光子能量演化.发现自旋极化对电子复合动力学具有显著影响.仅在导带底附近测量时,两种方法测试到的复合寿命一致,而在高过超能量电子态测量时,两种方法测试到的复合寿命不一致.指出时间分辨法拉第光谱中,用于反演求解电子自旋相干寿命的电子复合寿命应该使用圆偏振光抽运-探测获得的复合寿命,而不是线偏振光抽运-探测获得的寿命.理论计算与实验结果吻合较好. 关键词： 圆偏振光抽运-探测光谱 自旋量子拍 自旋极化 GaAs     

二噻吩硼烷异构体分子结构测定的第一性原理研究

本文在第一性原理计算基础上结合非平衡格林函数方法,研究了量子干涉效应对连接镍电极的二噻吩硼烷(dithienoborepin,DTB)分子结自旋输运性质的影响,并通过氨基和硝基钝化实现了对二噻吩硼烷分子异构体(DTB-A和DTB-B)的区分.结果表明,原始的DTB-A和DTB-B分子结在费米能级两侧都有一个自旋向上透射峰和一个自旋向下透射峰,且两个透射峰的能量位置和高度基本相同.因此,原始DTB-A和DTB-B分子结的自旋向上和自旋向下电流曲线基本重合,不能被明显区分.然而,研究发现量子干涉效应能不同程度地增强氨基钝化DTB-A分子结费米能级两侧分子轨道的自旋极化输运能力,并减弱氨基钝化DTB-B分子结费米能级两侧分子轨道的自旋极化输运能力.此外,研究还发现量子干涉效应可以显著提高硝基钝化DTB-B分子结费米能级两侧分子轨道的自旋极化输运能力,同时减弱硝基钝化DTB-A分子结费米能级两侧分子轨道的自旋极化输运能力.由于量子干涉效应对氨基和硝基钝化的DTB异构体分子结自旋输运能力有不同的调制作用,因此可以通过测量氨基和硝基钝化分子结的自旋电流值来区分DTB分子的两种异构体.     

铁磁性高锰硅化物Mn_4Si_7电子特性的第一性原理计算

本文采用基于第一性原理的密度泛函理论超软雁势平面波方法,对铁磁性半导体高锰硅化合物Mn_4Si_7进行了理论计算.结果表明块体Mn_4Si_7是准直接带隙半导体材料,其价带主要是由Mn的3d轨道电子构成,导带主要是由Mn的3d及Si的3p轨道电子构成.相同自旋轨道下,自旋向下态的电子更容易占据较高的能级.而自旋向上态的电子对Mn_4Si_7的禁带宽度起主导作用. Mn_4Si_7的费米能级附近各轨道未被电子占满,且自旋向上态与自旋向下态电子的不对称分布使其具有了磁性.为Mn_4Si_7磁学特性提供主要贡献的是Mn的3d轨道电子,而Si的3p和3s轨道电子提供了一个小的贡献.