分形半導(dǎo)體多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的自旋極化輸運(yùn)特性研究.pdf

1、本論文選擇具有重要應(yīng)用價(jià)值和基礎(chǔ)理論研究意義的兩端具有鐵磁接觸的分形半導(dǎo)體多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)(F/FSM/F)作為研究對(duì)象，針對(duì)其中的電子自旋極化輸運(yùn)現(xiàn)象、關(guān)聯(lián)系數(shù)、電流以及散粒噪聲等問題進(jìn)行較為細(xì)致的研究，通過與兩端具有鐵磁接觸的周期半導(dǎo)體多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)(F/PSM/F)中的相關(guān)結(jié)果比較，揭示了一些新效應(yīng)及其物理機(jī)制。旨在探索新的量子結(jié)構(gòu)，為可能的具有特殊性質(zhì)的非線性自旋電子學(xué)器件的設(shè)計(jì)開發(fā)提供理論依據(jù)。本文得到的主要結(jié)論如下： (1

2、)在自旋極化輸運(yùn)過程中，提出了一種具有自相似結(jié)構(gòu)的F/FSM/F異質(zhì)結(jié)構(gòu)。F/FSM/F異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以看作是屬于F/S/F異質(zhì)結(jié)構(gòu)的一種帶有缺陷的具有嚴(yán)格周期性的F/PSM/F異質(zhì)結(jié)構(gòu)。 (2)基于相干量子輸運(yùn)理論，考慮Rashba自旋-軌道耦合相互作用，我們系統(tǒng)地研究了F/FSM/F和相應(yīng)F/PSM/F異質(zhì)結(jié)構(gòu)中半導(dǎo)體層厚確定和隨機(jī)變化兩種情況下的自旋極化電子的輸運(yùn)性質(zhì)；分別討論了兩種不同結(jié)構(gòu)的隧穿幾率與結(jié)構(gòu)迭代次數(shù)n、半導(dǎo)體多

3、層結(jié)構(gòu)的總長(zhǎng)度d、Rashba自旋-軌道耦合強(qiáng)度kR/kO和半導(dǎo)體層厚隨機(jī)變化的隨機(jī)度R之間的依賴關(guān)系。計(jì)算結(jié)果表明，F(xiàn)/FSM/F異類質(zhì)結(jié)構(gòu)的隧穿譜與F/PSM/F異質(zhì)結(jié)構(gòu)的隧穿譜相比具有許多有趣的特性。例如，更顯著的量子尺寸效應(yīng)、更加尖銳的局域共振峰和半導(dǎo)體層厚隨機(jī)波動(dòng)的穩(wěn)定性等等。同時(shí)，我們也發(fā)現(xiàn)，在半導(dǎo)體層厚存在隨機(jī)變化的F/PSM/F和F/FSM/F異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，自旋向上和自旋向下電子的隧穿幾率不僅在左右鐵磁體磁化方向平行(P)

4、時(shí)可以分離，而且在磁化方向反平行(AP)時(shí)也會(huì)分離。這一結(jié)果與層厚沒有隨機(jī)變化的情況明顯不同。 (3)借助關(guān)聯(lián)系數(shù)研究了自旋極化電子輸運(yùn)過程中的分形行為。通過計(jì)算隧穿幾率的關(guān)聯(lián)系數(shù)表明：與F/PSM/F異質(zhì)結(jié)構(gòu)的隧穿譜相比，F(xiàn)/FSM/F異質(zhì)結(jié)構(gòu)的隧穿譜具有與半導(dǎo)體多層中各層的分形分布有關(guān)的部分自相似結(jié)構(gòu)。也就是說，共振隧穿譜與幾何結(jié)構(gòu)之間有一個(gè)清晰而直接的關(guān)聯(lián)。 (4)基于相干量子理論和Landauer-Büttike

5、r散射理論，考慮Rashba自旋-軌道耦合相互作用，我們系統(tǒng)地研究了電場(chǎng)作用下電子隧穿第四代F/FSM/F異質(zhì)結(jié)構(gòu)和相應(yīng)F/PSM/F異質(zhì)結(jié)構(gòu)的自旋相關(guān)的散粒噪聲的性質(zhì)。計(jì)算并討論了兩種不同結(jié)構(gòu)的電流、散粒噪聲和Fano因子與半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)的總長(zhǎng)度、Rashba自旋-軌道耦合相互作用、外加偏壓以及兩鐵磁接觸磁矩間夾角的依賴關(guān)系。結(jié)果表明，電流、散粒噪聲和Fano因子具有強(qiáng)自旋依賴性，不僅能夠通過外加偏壓和Rashba自旋-軌道耦合相互作

6、用進(jìn)行調(diào)制，而且也與半導(dǎo)體多層的總長(zhǎng)度和兩鐵磁接觸磁矩間的夾角等結(jié)構(gòu)參數(shù)密切相關(guān)。 (5)與F/PSM/F異質(zhì)結(jié)構(gòu)相比，F(xiàn)/FSM/F異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電流、散粒噪聲和Fano因子具有一些有趣的物理性質(zhì)。例如，更顯著的量子尺寸效應(yīng)、隨著偏壓或Rashba自旋-軌道耦合強(qiáng)度的增加表現(xiàn)出的低頻非周期振蕩規(guī)律以及隨角度的增加出現(xiàn)的對(duì)Rashba自旋-軌道耦合強(qiáng)度的弱依賴性等。我們的結(jié)果進(jìn)一步表明，在準(zhǔn)一維自旋晶體管器件的實(shí)現(xiàn)和量子相干自旋電子