半導(dǎo)體中的自旋霍爾效應(yīng)及自旋極化輸運(yùn)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(yùn)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(jí)，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(jìn)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(gè)交變電場確實(shí)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(yùn)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(fèi)米能級(jí)以下的態(tài)都對自旋霍爾電流有貢獻(xiàn)。而對于通常的非本征自旋霍爾效應(yīng)，只有費(fèi)米能級(jí)鄰近的態(tài)才對電荷電流或自旋電流有貢獻(xiàn)。
　　 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(xiàn)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(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的無耗散貢獻(xiàn)?？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(xiàn)的部分有兩個(gè)。一個(gè)來自于依賴自旋-軌道雜質(zhì)散射的，另一個(gè)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(xiàn)與無序散射效應(yīng)無關(guān)，也就是說，這種貢獻(xiàn)是非耗散性的。這種非耗散性貢獻(xiàn)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(fèi)米能級(jí)的態(tài)對自旋霍爾電導(dǎo)都能做出相同權(quán)重的貢獻(xiàn)。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(xiàn)不同的是，只有費(fèi)米能級(jí)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(xiàn)。
　　 在第五章我們研究了同時(shí)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(xiàn)。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(dòng)量空間的Berry曲率決定的本征貢獻(xiàn)；由修正的Bloch帶群速度決定的非本征貢獻(xiàn)；及由自旋相關(guān)的雜質(zhì)散射所決定。
　　 由動(dòng)量空間的Berry曲率所