半導(dǎo)體中的自旋霍爾效應(yīng)及自旋極化輸運研究.pdf

1、電子具有電荷和自旋兩種屬性。傳統(tǒng)的半導(dǎo)體電子器件中的載流子輸運過程只是利用電場來控制并使用了它們的荷電特性，其自旋狀態(tài)并未考慮。隨著半導(dǎo)體晶體管的尺寸接近納米級，半導(dǎo)體芯片的原子尺度的限制和小尺度引起的焦耳能耗已成為大規(guī)模集成電路的兩大難以克服的物理限制因素。由此，基于電荷操控的微電子學(xué)在不遠(yuǎn)的將來很可能難以有什么更大的發(fā)展了。因此人們開始著手研究如何利用電子的另一種屬性：自旋。
　　 本文通過對自旋一軌道耦合的介紹，引出利用電

2、子的自旋屬性所面臨的問題。并對其中部分問題進行了研究。
　　 第三章通過研究外電場誘導(dǎo)的自旋-軌道耦合對Rashba二維電子氣中的本征自旋霍爾效應(yīng)的影響，得出一個交變電場確實可以在Rashba二維電子氣系統(tǒng)中產(chǎn)生自旋霍爾電流。我們的研究表明，考慮了外電場所誘導(dǎo)的自旋-軌道耦合后，不但交變自旋霍爾電導(dǎo)不為零，而且甚至在無序散射存在的情況下靜態(tài)自旋霍爾電導(dǎo)也不為零。與通常的耗散電荷和（或）自旋輸運明顯不同的是，在有外電場誘導(dǎo)的自旋-

3、軌道耦合存在的Rashba二維電子氣中所有費米能級以下的態(tài)都對自旋霍爾電流有貢獻。而對于通常的非本征自旋霍爾效應(yīng)，只有費米能級鄰近的態(tài)才對電荷電流或自旋電流有貢獻。
　　 在第四章中，我們研究了外電場誘導(dǎo)的自旋-軌道耦合對非磁半導(dǎo)體中的非本征自旋霍爾效應(yīng)的影響。研究表明，在非磁半導(dǎo)體或金屬中，除了通常的依賴自旋-軌道的雜質(zhì)散射對非本征自旋霍爾效應(yīng)有貢獻之外，由外加電場誘導(dǎo)的自旋-軌道耦合對非鐵磁半導(dǎo)體或金屬中的非本征自旋霍爾效應(yīng)

4、也會產(chǎn)生相當(dāng)大的無耗散貢獻?？紤]了外電場誘導(dǎo)的自旋-軌道耦合的影響后，對自旋霍爾電導(dǎo)有貢獻的部分有兩個。一個來自于依賴自旋-軌道雜質(zhì)散射的，另一個來自于由外電場誘導(dǎo)的自旋-軌道耦合的。由外電場誘導(dǎo)的自旋-軌道耦合對自旋霍爾電導(dǎo)的貢獻與無序散射效應(yīng)無關(guān)，也就是說，這種貢獻是非耗散性的。這種非耗散性貢獻的大小由載流子密度和自旋-軌道耦合常數(shù)唯一決定。而且所有低于費米能級的態(tài)對自旋霍爾電導(dǎo)都能做出相同權(quán)重的貢獻。與由外加電場引起的自旋-軌道耦

5、合對自旋霍爾電導(dǎo)的貢獻不同的是，只有費米能級附近的態(tài)才對緣于依賴自旋-軌道的雜質(zhì)散射的通常的非本征自旋霍爾電導(dǎo)有貢獻。
　　 在第五章我們研究了同時存在本征和非本征自旋軌道相互作用的情況下，反常霍爾效應(yīng)中的各種可能貢獻。研究表明總的反常霍爾電導(dǎo)可以表示成三部分之和，分別是由動量空間的Berry曲率決定的本征貢獻；由修正的Bloch帶群速度決定的非本征貢獻；及由自旋相關(guān)的雜質(zhì)散射所決定。
　　 由動量空間的Berry曲率所