低維量子體系輸運(yùn)中的動(dòng)力學(xué)和熱電性質(zhì)研究.pdf

1、低維體系由于其特有的低維特性，往往具有區(qū)別于三維塊材的獨(dú)特性質(zhì)。對(duì)于分子器件，量子點(diǎn)、分子導(dǎo)線線等低維結(jié)構(gòu)是主要的元器件。本文使用非平衡格林函數(shù)方法研究了兩個(gè)典型低維體系的輸運(yùn)性質(zhì)：雙鏈DNA分子和金屬-量子點(diǎn)-磁性絕緣體異質(zhì)結(jié)。對(duì)于DNA分子，研究了分子動(dòng)力學(xué)和電荷輸運(yùn)之間的相互作用，以及量子相干對(duì)其熱電輸運(yùn)性質(zhì)的影響。對(duì)于量子點(diǎn)異質(zhì)結(jié)，較系統(tǒng)的研究了它的熱自旋輸運(yùn)機(jī)理以及對(duì)熱自旋流的調(diào)控方法?；贒NA的分子器件和熱自旋電子學(xué)是重要

2、的兩個(gè)研究方向，我們的結(jié)果對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)和器件設(shè)計(jì)有參考和借鑒意義。
　　當(dāng)某個(gè)體系偏離平衡態(tài)而隨時(shí)間演化時(shí)，反映體系性質(zhì)的物理量也會(huì)隨著時(shí)間變化，非平衡格態(tài)林函數(shù)方法是計(jì)算這些含時(shí)物理量的一種重要方法。當(dāng)沒有外場(chǎng)或偏壓等非平衡因素時(shí)，非平衡格林函數(shù)退化為平衡態(tài)格林函數(shù)方法，所以非平衡格林函數(shù)方法可以被認(rèn)為是格林函數(shù)方法的一般形式。由于有像Dyson方程、Wick定理等系統(tǒng)的方法來處理格林函數(shù)的計(jì)算，以及很多近似和數(shù)值方法也都基于格林

3、函數(shù)，使用格林函數(shù)方法來進(jìn)行計(jì)算往往會(huì)比較方便，也具有較強(qiáng)的適用性。
　　文章第一章為緒論，首先簡(jiǎn)述了DNA輸運(yùn)性質(zhì)和熱自旋電子學(xué)的研究背景和現(xiàn)狀。在簡(jiǎn)單介紹了非平衡格林函數(shù)涉及的基本定義等背景知識(shí)后，說明了如何用格林函數(shù)方法處理一類動(dòng)力學(xué)問題，接著對(duì)用來處理強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系的隸玻色子方法和非交叉近似做了簡(jiǎn)要介紹。緒論的最后簡(jiǎn)述了研究的動(dòng)機(jī)和內(nèi)容。
　　由于DNA分子的堿基間存在π鍵，這使其能夠?qū)娏?。與此同時(shí)，堿基間的氫鍵和π

4、鍵都是相對(duì)較弱的成鍵作用，這意味著DNA的動(dòng)力學(xué)強(qiáng)度比較小，也就是說其形態(tài)和結(jié)構(gòu)容易受到外力的影響。第二章使用格林函數(shù)方法研究了DNA分子在兩端加上偏壓時(shí)的動(dòng)力學(xué)，以及動(dòng)力學(xué)對(duì)DNA導(dǎo)電性能的影響。發(fā)現(xiàn)電流的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)能夠很顯著地導(dǎo)致堿基對(duì)的分離。通過電聲相互作用，被打開的堿基對(duì)會(huì)抑制電荷的輸運(yùn)，從而出現(xiàn)負(fù)微分電阻等現(xiàn)象。
　　在接下來的第三章，設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案來驗(yàn)證DNA中的負(fù)微分電阻是否由電流的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)引起，并理論計(jì)算了方

5、案的可行性。由于DNA分子動(dòng)力學(xué)影響其導(dǎo)電性質(zhì)，不同環(huán)境對(duì)DNA分子動(dòng)力學(xué)的作用會(huì)導(dǎo)致不同的導(dǎo)電特性，電荷輸運(yùn)與動(dòng)力學(xué)之間的相互作用為解釋實(shí)驗(yàn)上觀察到的DNA多變的導(dǎo)電性質(zhì)提供了一個(gè)新角度。
　　從第四章開始，研究溫差導(dǎo)致的輸運(yùn)現(xiàn)象。由于DNA的雙鏈結(jié)構(gòu)以及π鍵堆疊導(dǎo)電通道，電荷的輸運(yùn)中可以出現(xiàn)Fano和Dicke效應(yīng)這兩種由量子相干導(dǎo)致的現(xiàn)象。我們的計(jì)算表明，通過調(diào)節(jié)電子在位能和交疊積分等能量的大小，DNA或有類似結(jié)構(gòu)分子的熱電

6、性能可以都到明顯的提升，對(duì)這些參數(shù)的調(diào)節(jié)可通過環(huán)境漲落等方式來實(shí)現(xiàn)。
　　在第五章中，研究了另一種低維體系的熱自旋輸運(yùn)—由金屬、量子點(diǎn)和磁性絕緣體構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)中的自旋Seebeck效應(yīng)。推導(dǎo)了熱自旋流的格林函數(shù)公式，以及其在隸玻色子表示下的表達(dá)式，然后使用非交叉近似計(jì)算了熱自旋流。這種異質(zhì)結(jié)允許通過門電壓來調(diào)節(jié)自旋流的大小，從而提供了一種不需要改變溫度梯度的調(diào)控方式。此外，研究了庫倫相互作用對(duì)熱自旋流的影響，并發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度合適的庫倫作