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自旋-轨道耦合调制下磁纳米结构中电子自旋极化效应

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自旋-轨道耦合调制下磁纳米结构中电子自旋极化效应

作者：杨士鹏桂林理工大学

学位级别：硕士

半导体自旋电子学是新发展起来的一门交叉学科,其研究的主要内容是控制半导体材料中电子的自旋属性,并且运用它的性质制作与开发新一代自旋电子器件。与现行电子器件相比,自旋电子器件由于利用了自旋而拥有许多优点,比如:数据处理速度... 详细信息

半导体自旋电子学是新发展起来的一门交叉学科,其研究的主要内容是控制半导体材料中电子的自旋属性,并且运用它的性质制作与开发新一代自旋电子器件。与现行电子器件相比,自旋电子器件由于利用了自旋而拥有许多优点,比如:数据处理速度更快、存储容量更大、集成度更高和功率损耗更低。但是,自旋电子器件工作的前提条件是制作它的材料——半导体中的电子必须是自旋极化的,然而,半导体材料中电子的自旋态通常是简并的,所以,如何使半导体材料中电子产生自旋极化及其有效调控,不仅是自旋电子学应用迫切需要解决的一个基本问题,而且已经导致了半导体自旋电子学领域中的一个重要研究方向。本硕士论文选取两种典型的磁纳米结构(磁垒纳米结构、复合磁电垒纳米结构)作为研究对象,采用理论分析与数值计算相结合的方法,研究磁纳米结构中内禀的自旋-轨道耦合(简称SOC,包括Rashba型和Dresselhaus型)对电子自旋极化效应的调控,为自旋电子学的应用设计与开发可控的自旋极化源——自旋过滤器。全文共五章。第一章是绪论,简单介绍了自旋电子学,磁纳米结构及其自旋极化效应的研究进展,以及本硕士论文的主要研究内容。第二章主要介绍本硕士论文的主要研究方法,包括改进的转移矩阵法(简称ITM方法)和Landauer-Büttiker超微结构电导理论(简称LB理论)。第三章以δ-函数形磁垒为例,探讨了SOC调制下磁垒纳米结构中电子的自旋极化效应。实验上,该纳米结构可以通过在半导体InAs异质结上、下表面平行地沉积两个具有水平磁化强度的纳米铁磁条带形成。电子的透射系数、电导与自旋极化被解析地计算。结果表明,可利用改变Rashba型和/或Dresselhaus型SOC强度的方法,控制磁垒型磁纳米结构中电子自旋极化的行为。所以,磁垒纳米结构可以被制作成SOC-可调的电子自旋过滤器。第四章则以δ-函数形磁垒和方形电垒为例,探讨了复合磁电垒纳米结构中Rashba型和Dresselhaus型SOC对系统中电子自旋极化行为的影响。该复合磁电垒纳米结构在实验上可以通过在半导体InAs异质结表面上平行地沉积一个具有水平磁化强度的纳米铁磁条与一个施加了直流电压的纳米肖特基金属条得到。借助于ITM方法电子的Schr?dinger方程被严格求解,再结合LB理论,与SOC相关的电子透射率、电导及其自旋极化被计算。结果表明,在这个复合磁电垒纳米结构中,电子自旋极化的大小和符号均随Rashba型和Dresselhaus型SOC强度变化。于是,可以利用改变Rashba型和/或Dresselhaus型SOC的强度,来调控复合磁电垒纳米结构中电子自旋极化效应,而且这种磁纳米结构也可以设计成SOC-可控的电子自旋过滤器。最后,在第五章我们简要总结了本硕士论文的研究工作及其取得的研究成果,同时指出本研究工作存在的不足,以及今后需要继续开展的研究工作。

关键词：半导体自旋电子学自旋-轨道耦合磁纳米结构电子自旋极化可控电子自旋过滤器

自旋-轨道耦合调制下磁纳米结构中电子Goos-H?nchen效应

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自旋-轨道耦合调制下磁纳米结构中电子Goos-H?nchen效应

作者：汤强桂林理工大学

学位级别：硕士

现代计算机主要以半导体为基础,利用电子的电荷编码二进制信息‘0’和‘1’,完全忽略了电子的自旋。如果能将半导体内电子的自旋利用起来,便可开启一个全新的领域——半导体自旋电子学。与传统电子器件相比,自旋电子器件具有很多优良的... 详细信息

现代计算机主要以半导体为基础,利用电子的电荷编码二进制信息‘0’和‘1’,完全忽略了电子的自旋。如果能将半导体内电子的自旋利用起来,便可开启一个全新的领域——半导体自旋电子学。与传统电子器件相比,自旋电子器件具有很多优良的性能,比如:高信息密度、低功率损耗和高数据处理速度等。目前,自旋电子器件的设计仍存在许多挑战,因为半导体中的电子通常都是自旋简并的,无法利用自旋携带、处理和传输信息。如何实现半导体中电子自旋极化及其调控,是半导体自旋电子学研究领域的一个重要方向。迄今为止,一些有效的途径已经被提出,其中一种方法是利用半导体纳米结构中电子的Goos-H?nchen(GH)效应,从空间上分离自旋,实现半导体中电子的自旋极化。本论文以两种典型的磁纳米结构(磁垒纳米结构、复合磁电垒纳米结构)作为研究对象,通过建立理论模型计算两种内禀自旋轨-道耦合(SOC,包括Rashba和Dresselhaus型)引起的电子GH效应,探索SOC对自旋极化GH位移的调控,为自旋电子学应用构建可控的电子自旋空间分裂器。全文分为五章。第一章简要介绍了论文的研究背景,包括半导体自旋电子学、磁纳米结构及其GH效应的研究现状、以及本论文的研究内容。第二章介绍了本论文采用的研究方法,主要包括改进的转移矩阵法(ITM方法)和稳态相位法(SPM方法)。第三章以双δ-函数磁垒为例,研究Rashba型和Dresselhaus型SOC对磁垒纳米结构中电子GH效应的影响。实验上,双δ-磁垒可通过在半导体异质结的上、下表面沉积两个具有水平磁化强度的纳米铁磁条得到。利用ITM方法严格求解了电子的Schr?dinger方程,以及SPM方法数值计算了电子的GH位移及其自旋极化。结果表明,GH位移与Rashba或Dresselhaus SOC密切相关,其自旋极化的程度可通过改变SOC强度实现有效的调控。基于这个磁垒纳米结构,可以为半导体自旋电子学应用构建SOC-可调的电子自旋空间分裂器。第四章研究在SOC调制下复合磁电垒纳米结构中的电子的GH效应,探讨结构中Rashba型和Dresselhaus型SOC对电子自旋极化GH位移的调控。复合磁电垒纳米结构由δ-磁垒和方形电垒构成,在实验上其可以通过在半导体异质结上、下表面上沉积一个具有水平磁化强度的纳米铁磁条与一个施加了直流电压的纳米肖特基金属条得到。我们发现,不同自旋方向的电子GH位移存在着明显差异,而且其自旋极化的大小和符号均随Rashba或Dresselhaus SOC强度的变化而改变。这些发现不仅提出了调控电子自旋极化GH位移的有效方法,而且这个复合磁电垒纳米结构可用于SOC-可控的电子自旋空间分裂器。最后,第五章总结了本论文所取得的研究成果,指出了本论文研究中存在的不足,以及今后进一步研究的方向。

关键词：半导体自旋电子学磁纳米结构自旋-轨道耦合 Goos-H?nchen效应电子自旋空间分裂器

铁氧体磁纳米结构的制备、表征及其在靶向药物释放领域的应用研究

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感光科学与光化学 2006年第5期24卷 397-397页

作者：张彦奇唐芳琼中国科学院理化技术研究所

以应用需求为目的对纳米材料的组成、结构和形貌进行设计合成是当前纳米材料化学研究的热点问题之一.磁性中空纳米结构及一维磁纳米结构在生物医学、催化、电子、信息以及纳米器件等领域都具有广泛的应用,有关其制备和应用方面的研究倍... 详细信息

以应用需求为目的对纳米材料的组成、结构和形貌进行设计合成是当前纳米材料化学研究的热点问题之一.磁性中空纳米结构及一维磁纳米结构在生物医学、催化、电子、信息以及纳米器件等领域都具有广泛的应用,有关其制备和应用方面的研究倍受科学家们的关注.本论文主要以实现磁纳米结构的生物医学应用功能为目的,设计材料的结构并通过一些简单有效的化学方法来实现磁纳米材料的组成、结构和性能的可控制备,为促进其应用提供良好的材料基础,同时初步探索磁性纳米材料在靶向药物释放方面的应用.论文主要包括如下内容.

关键词：生物医学应用磁纳米结构可控制备药物释放磁性纳米材料铁氧体表征设计合成

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纳米结构中磁斯格明子的原位电子全息研究

物理学报 2018年第13期67卷 56-69页

作者：李子安柴可张明朱春辉田焕芳杨槐馨中国科学院物理研究所北京100190 北京理工大学物理学院北京100081 中国科学院大学物理科学学院北京101408

斯格明子(skyrmion)磁序结构与晶体微观结构的关联是新型功能磁材料和器件研发的重要问题.本文利用微纳加工技术制备了形状、尺寸均可控的磁纳米结构,通过电子全息术观察定量地分析了斯格明子磁序结构,确定了材料晶格缺陷和空间受限效... 详细信息

斯格明子(skyrmion)磁序结构与晶体微观结构的关联是新型功能磁材料和器件研发的重要问题.本文利用微纳加工技术制备了形状、尺寸均可控的磁纳米结构,通过电子全息术观察定量地分析了斯格明子磁序结构,确定了材料晶格缺陷和空间受限效应对斯格明子磁结构形成和稳定机制的影响,系统地分析了斯格明子基元的磁功能与材料微结构的关联.文中主要探讨了两个问题:1)斯格明子在磁纳米结构中的空间受限效应.重点研究斯格明子磁序随外磁场和温度变化的演变规律,探索其演变过程的拓扑属性和稳定性;2)晶格缺陷对斯格明子磁结构的影响,重点考察晶界原子结构手性反转对斯格明子磁序的影响.这些研究结果可为研发以磁斯格明子为基元的磁信息存储器及自旋电子学器件提供重要实验基础.

关键词：磁斯格明子磁纳米结构洛伦兹透射电子显微镜电子全息术

基于InAs/GaAs异质结的δ掺杂磁半导体纳米结构的电子自旋输运

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宜春学院学报 2023年第6期45卷 36-40,101页

作者：李健文梁文斯钰朱昊天赖伊倩吴子明吴琦南昌工程学院理学院南昌市光电转换与储能材料重点实验室南昌工程学院光电材料与新能源技术重点实验室江西南昌330099

本文研究了基于InAs/GaAs异质结的δ掺杂磁纳米结构的电子自旋输运性质。计算了透射系数、电导和自旋极化。主要分析和讨论了δ掺杂的权重和位置对电子自旋极化输运的影响。结果表明,δ掺杂权重的增加可以显著抑制电子的透射系数和电导... 详细信息

本文研究了基于InAs/GaAs异质结的δ掺杂磁纳米结构的电子自旋输运性质。计算了透射系数、电导和自旋极化。主要分析和讨论了δ掺杂的权重和位置对电子自旋极化输运的影响。结果表明,δ掺杂权重的增加可以显著抑制电子的透射系数和电导。通过改变δ掺杂的权重和位置可以实现较大程度的自旋极化。研究结果将有助于理解δ掺杂磁纳米结构中的实验现象和设计δ掺杂可调制自旋电子器件。

关键词：磁纳米结构 δ掺杂自旋极化自旋电子器件

电子在同向双δ-磁垒纳米结构中自旋相关的居留时间

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广西物理 2020年第4期41卷 1-6页

作者：张桂莲卢卯旺彭芳芳孟劲松湖南都市职业学院湖南长沙410100 桂林理工大学广西桂林410004

我们计算电子在同向双δ-磁垒纳米结构中的居留时间,其中纳米结可通过在InAs/AlxIn1-xAs半导体异质结的上、下表面分别制作两个不对称的铁磁条带构筑。我们发现,由于电子的自旋与结构中磁场的相互作用,居留时间与电子的自旋相关。而且,... 详细信息

我们计算电子在同向双δ-磁垒纳米结构中的居留时间,其中纳米结可通过在InAs/AlxIn1-xAs半导体异质结的上、下表面分别制作两个不对称的铁磁条带构筑。我们发现,由于电子的自旋与结构中磁场的相互作用,居留时间与电子的自旋相关。而且,自旋极化居留时间的大小及符号可通过磁场、应用电压以及两δ-磁垒之间的间隔实行调控。因此,电子的自旋可在时间维度上进行分离,同时该磁纳米结构可用于自旋电子学器件应用中的一个可控时间自旋分离器。

关键词：磁纳米结构居留时间自旋极化时间自旋分裂器

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纳米结构中电子输运受到磁电垒影响的研究

四川大学学报（自然科学版） 2011年第3期48卷 607-611页

作者：侯阳来侯三林武汉科技大学理学院武汉430081 湖北省冶金工业过程系统科学重点实验室武汉430081 菏泽学院菏泽274015

我们使用转移矩阵方法,详细研究了纳米结构中的弹性电子的透射几率、自旋极化和电导,发现这些物理量敏感地依赖于周期性的磁电垒的周期数.随着周期数增加,共振劈裂数目增加,共振峰增多导致共振峰变尖锐,同时自旋极化也加强.奇怪的是,在... 详细信息

我们使用转移矩阵方法,详细研究了纳米结构中的弹性电子的透射几率、自旋极化和电导,发现这些物理量敏感地依赖于周期性的磁电垒的周期数.随着周期数增加,共振劈裂数目增加,共振峰增多导致共振峰变尖锐,同时自旋极化也加强.奇怪的是,在这种结构中通过自旋依赖的共振输运可以获得100%的自旋极化,尽管此结构中的平均磁场为零.

关键词：磁纳米结构自旋极化共振劈裂波矢过滤

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缺陷对准周期磁超晶格输运性质的影响

物理学报 2002年第9期51卷 2139-2143页

作者：李鹏飞颜晓红王如志湘潭大学物理系湘潭411105 北京工业大学新型功能材料教育部重点实验室北京100022

研究了缺陷结构的Fibonacci磁超晶格的输运性质 .结果表明 ,缺陷结构对纳米准周期链的电子输运性质有重要影响。

关键词：准周期磁超晶格缺陷 Fibonacci链磁纳米结构电子输运性质半导体

铁磁体—肖特基金属体—半导体复合纳米结构的巨磁阻效应

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铁磁体—肖特基金属体—半导体复合纳米结构的巨磁阻效应

作者：张桂莲湘潭大学

学位级别：硕士

巨磁电阻(GMR)效应自发现以来即引起各国企业界及学术界的高度重视,GMR效应已成为当前凝聚态物理研究的热点之一。它不仅具有重要的科学意义,而且具有多方面的应用价值。目前,GMR效应主要用于磁传感器、随机存储器和高密度读写磁头等方... 详细信息

巨磁电阻(GMR)效应自发现以来即引起各国企业界及学术界的高度重视,GMR效应已成为当前凝聚态物理研究的热点之一。它不仅具有重要的科学意义,而且具有多方面的应用价值。目前,GMR效应主要用于磁传感器、随机存储器和高密度读写磁头等方面。此外,GMR传感器在自动化技术、家用电器、卫星定位、导航、汽车工业、医疗等方面都具有广泛的应用前景。本论文研究了铁磁体、肖特基金属体和半导体复合纳米结构中的GMR效应。全文共四章。第一章为绪论,简要地介绍了GMR效应的产生机理、不同体系中的GMR效应、以及GMR效应的应用;然后,介绍了磁纳米结构的GMR效应的研究进展。最后,简述了我们的研究方法,包括处理纳米结构的Landauer-Büttiker电导理论。第二章中,我们从理论上研究了具有任意的磁化方向的铁磁体和半导体复合纳米体系中的GMR效应,其在实验上可以通过在GaAs半导体异质结的表面沉积两个铁磁条实现。本章的内容分为两节,第一节研究了系统的GMR效应及磁化方向对GMR效应的影响,研究表明,由于电子隧穿平行和反平行磁化构型时存在巨大的差异,这种纳米结构拥有相当大的GMR效应。同时,研究表明铁磁条的磁化方向强烈地影响该纳米系统的磁阻比率;在第二节中,我们给金属铁磁条加上直流电压,研究电压对器件的GMR效应的影响,我们发现磁阻比率强烈的依赖于该电压。第三章,我们在前面的基础上,通过在GaAs异质结的表面沉积两个平行纳米金属铁磁条和一个肖特基金属条,构建了一个巨磁阻器件。从理论上研究了这种铁磁体、肖特基金属体和半导体复合纳米结构中的GMR效应。我们研究了器件的结构参数对GMR效应的影响,并研究了加在肖特基金属上的电压对巨磁阻比率的调节作用。研究表明,该器件拥有显著的GMR效应且磁阻比率强烈的依赖于系统的结构参数以及加在肖特基金属上的电压。从而,我们所考虑的纳米结构可以作为一个磁阻比率可调的巨磁阻器件。最后,第四章简短地总结了全文的研究背景、意义、内容和特色。

关键词：磁纳米结构巨磁阻效应磁阻比率