半導(dǎo)體自旋霍爾效應(yīng)與石墨烯一維零線(xiàn)模態(tài)研究.pdf

1、自旋霍爾效應(yīng)是指縱向電流誘導(dǎo)產(chǎn)生橫向自旋輸運(yùn)的一種現(xiàn)象。作為自旋電子學(xué)領(lǐng)域的重要概念和方法，自旋霍爾效應(yīng)提供了利用純電學(xué)手段來(lái)操控自旋自由度的可能。根據(jù)自旋軌道耦合來(lái)源的不同，自旋霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)制分為內(nèi)稟性和外稟性?xún)煞N，其中外稟性機(jī)制中又包含側(cè)躍(side jump)和偏散射(skewscattering)兩種效應(yīng)。自2003年以來(lái)，關(guān)于半導(dǎo)體材料中自旋霍爾效應(yīng)的微觀(guān)動(dòng)力學(xué)研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，各機(jī)制單獨(dú)作用下自旋霍爾效應(yīng)的規(guī)律基

2、本為人們所掌握，計(jì)算得到的自旋霍爾電導(dǎo)與實(shí)驗(yàn)定量符合。另一方面，內(nèi)稟性與外稟性機(jī)制之間的關(guān)系與相互作用仍然有待厘清。在簡(jiǎn)單梳理各單一機(jī)制貢獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，我們從量子劉維方程出發(fā)，得到弱散射情形下密度矩陣滿(mǎn)足的動(dòng)力學(xué)方程，方程中的哈密頓量將同時(shí)包含能帶自旋軌道耦合和雜質(zhì)自旋軌道耦合。經(jīng)過(guò)計(jì)算，我們發(fā)現(xiàn)常規(guī)定義下的側(cè)躍項(xiàng)和偏散射項(xiàng)對(duì)自旋霍爾效應(yīng)貢獻(xiàn)為零，系統(tǒng)另外出現(xiàn)與反常位置算符(r)SO相關(guān)的兩種反常自旋進(jìn)動(dòng)項(xiàng)，對(duì)于二維半導(dǎo)體電子體系，由電子

3、反常進(jìn)動(dòng)項(xiàng)導(dǎo)致的自旋霍爾電導(dǎo)σSHEλ大小為純側(cè)躍霍爾電導(dǎo)的一半，而符號(hào)卻與之相反。進(jìn)一步地，我們將電子能帶自旋軌道耦合由線(xiàn)性k項(xiàng)推廣至立方Rashba項(xiàng)，對(duì)于前者，雜質(zhì)反常自旋進(jìn)動(dòng)貢獻(xiàn)σSHUλ=-σSHEλ的自旋霍爾電導(dǎo)，總自旋霍爾電導(dǎo)因此消失;對(duì)于后者，雜質(zhì)反常自旋進(jìn)動(dòng)的貢獻(xiàn)為σSHUλ=-σSHEλ/2，總自旋霍爾電導(dǎo)取有限值。反常自旋進(jìn)動(dòng)對(duì)空穴系統(tǒng)的貢獻(xiàn)為零。反常自旋進(jìn)動(dòng)的出現(xiàn)，本質(zhì)上可視為電場(chǎng)和雜質(zhì)相關(guān)的自旋軌道耦合對(duì)能帶自

4、旋軌道耦合的重整化效應(yīng)。最后，我們認(rèn)為有希望在二維銻化銦量子阱體系中觀(guān)察到反常自旋進(jìn)動(dòng)霍爾效應(yīng)。
　　相比傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料，石墨烯具有單原子層厚的本征二維屬性和低能線(xiàn)性色散關(guān)系，堪稱(chēng)孕育新奇量子物態(tài)的溫床?；谑┑模孔樱┳孕魻栃?yīng)，（量子）谷霍爾效應(yīng)和（量子）反?；魻栃?yīng)等理論方案相繼被提出。石墨烯動(dòng)量空間中的兩能谷相距較遠(yuǎn)，谷間散射較弱，低能下谷指標(biāo)作為贗自旋自由度，可以用于電子學(xué)信息處理。在空間反演對(duì)稱(chēng)破缺的情況下，石墨

5、烯中將出現(xiàn)谷霍爾效應(yīng)現(xiàn)象，與自旋霍爾效應(yīng)類(lèi)似，這時(shí)縱向電場(chǎng)將導(dǎo)致不同能谷處的電子偏向樣品相反邊界，產(chǎn)生谷指標(biāo)的橫向傳遞。雙層石墨烯的空間反演對(duì)稱(chēng)性能夠被外加層間電勢(shì)差所破壞，在此基礎(chǔ)上，當(dāng)層間電勢(shì)差在空間某處發(fā)生翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)處會(huì)出現(xiàn)局域的一維零線(xiàn)模態(tài)。零線(xiàn)模態(tài)與翻轉(zhuǎn)勢(shì)兩側(cè)區(qū)域的能帶拓?fù)湫再|(zhì)有關(guān)并受到拓?fù)浔Ｗo(hù)。零線(xiàn)模態(tài)攜帶確定的谷指標(biāo)，其傳輸方向呈現(xiàn)手征性，可以被用來(lái)設(shè)計(jì)和操控電流通道。雙層石墨烯層間電勢(shì)差的最直接實(shí)現(xiàn)方案是利用外電極加壓，

6、由于零線(xiàn)模態(tài)所允許的翻轉(zhuǎn)勢(shì)的最大跨度在100 nm以?xún)?nèi)。不同極板之間的準(zhǔn)直會(huì)對(duì)一維零線(xiàn)模態(tài)的實(shí)驗(yàn)觀(guān)察產(chǎn)生顯著的影響。我們考慮了外電極的各種可能空間幾何位錯(cuò)，并利用緊束縛模型方法模擬了各種位錯(cuò)對(duì)零線(xiàn)模態(tài)能帶的影響。我們發(fā)現(xiàn)上下極板之間的相對(duì)位移對(duì)零線(xiàn)模態(tài)能帶的扭曲為最大，而零線(xiàn)模態(tài)傳輸方向?qū)κ┚Ц裰芷陬?lèi)型的依賴(lài)并不敏感?？紤]到實(shí)際樣品中廣泛存在各種拓?fù)淙毕?，我們利用Landauer-Büttiker公式計(jì)算了拓?fù)淙毕輰?duì)零線(xiàn)模態(tài)輸運(yùn)性質(zhì)