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手性分子自旋极化与电子器件应用

稀有金属 2023年第8期47卷 1163-1177页

作者：张钰尚紫璇王光成王晓蕾北京工业大学理学部物理与光电工程系北京100124

分子化学和自旋电子学两个领域的交叉融合,使得利用分子多样性的优势来干预或调控自旋电子器件成为可能。具有分子界面的新型有机/无机功能器件的开发,成为信息存储领域的研究热点。通常自旋极化来源于由磁场控制的磁性材料。然而,最近... 详细信息

分子化学和自旋电子学两个领域的交叉融合,使得利用分子多样性的优势来干预或调控自旋电子器件成为可能。具有分子界面的新型有机/无机功能器件的开发,成为信息存储领域的研究热点。通常自旋极化来源于由磁场控制的磁性材料。然而,最近的一些研究发现,非磁性的手性分子可以通过其自身的手性螺旋结构产生自旋极化,这种现象被称作手性诱导的自旋选择性(CISS)效应。相比于常规铁磁金属,基于分子手性结构的CISS效应有着高效的自旋极化、优异的分子界面、简单的制备流程和极低的生产成本等众多优点,实现了无需外界磁场和铁磁电极的高效率自旋注入。从CISS效应相关研究的实验结果、理论模型和器件性能等方面介绍近些年来CISS领域的最新研究进展,及利用基于手性分子的自旋电子器件进行信息存储和逻辑编译的关键技术,为自旋电子学器件的实际应用提供了一个可行的方向。

关键词：手性分子自旋选择性自旋极化分子界面自旋注入自旋电子学器件

Science China Technological Sciences 2024年67卷第1期中文摘要

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中国科学：技术科学 2024年第1期54卷 I0001-I0004页

低维钙钛矿中载流子和自旋动力学的超快光学研究付金悦,蒋英,方红华低维钙钛矿(PVK)材料因其增强的量子限域效应、高缺陷容忍度、可调谐带隙结构以及比三维(3D)PVK更高的稳定性而引起了广泛的研究兴趣,充分理解低维钙钛矿中的载流子复... 详细信息

低维钙钛矿中载流子和自旋动力学的超快光学研究付金悦,蒋英,方红华低维钙钛矿(PVK)材料因其增强的量子限域效应、高缺陷容忍度、可调谐带隙结构以及比三维(3D)PVK更高的稳定性而引起了广泛的研究兴趣,充分理解低维钙钛矿中的载流子复合、分离和传输等动力学过程对促进半导体器件的发展是至关重要的,这些过程往往在器件的性能中起着不可忽视的作用.目前,传统电荷特性器件受到高速且低功耗器件的发展要求的限制,自旋器件的提出可能成为突破摩尔定律的可行途径.并且,自旋弛豫作为动力学研究中不可缺少的组成部分,对研究材料的性质和探索可能的应用也具有重要意义.与三维钙钛矿相比,低维钙钛矿中低的结构对称性和较强的自旋轨道耦合效应,显著提高自旋简并度,从而提高自旋极化和弛豫寿命,为利用自旋自由度进行信息存储和处理提供了基础.因此,研究低维钙钛矿的载流子和自旋动力学是清晰了解低维钙钛矿特性的有效途径.本文综述了目前关于超快载流子和自旋动力学的最新研究进展.

关键词：半导体器件载流子复合自旋动力学自旋极化摩尔定律自旋弛豫量子限域效应信息存储

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碳化硅纳米带“品”型器件的第一性原理研究

合肥工业大学学报（自然科学版） 2024年第6期47卷 767-772页

作者：赵晗宋玲玲叶润隆韦藏龙合肥工业大学微电子学院安徽合肥230601

文章基于锯齿形碳化硅纳米带,通过将中间部分结构在空间上进行向上平移,再翻转180°形成异质结,保留碳边缘通道,形成“品”型三端异质结器件,并利用密度泛函理论和非平衡格林函数的计算方法,研究该三端器件的电子输运特性。计算结果表明... 详细信息

文章基于锯齿形碳化硅纳米带,通过将中间部分结构在空间上进行向上平移,再翻转180°形成异质结,保留碳边缘通道,形成“品”型三端异质结器件,并利用密度泛函理论和非平衡格林函数的计算方法,研究该三端器件的电子输运特性。计算结果表明:无论是在铁磁态还是反铁磁态下,一种自旋电子都能从一端电极经由异质结单边通道渡越到另一端电极,实现了100%的自旋极化电子输运;当对中心区外加栅压时,电流随着栅压增加而减小,当栅压大于0.5 V时,器件内部电子输运通道关闭,2种自旋电子均不能通过三端器件,表明通过栅极电压可以实现对器件内部电子输运能力的调控;若器件受到外力产生形变,只要形变量小于6.7%,电子输运能力几乎不改变。研究结果为基于碳化硅纳米带的纯自旋流器件的设计提供了有力的理论依据。

关键词：锯齿边缘碳化硅纳米带 “品”型三端器件自旋极化第一性原理计算

Cr,Ce共掺杂调控V_(3)O_(4)半金属材料自旋极化机制的第一性原理研究

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陕西科技大学学报 2022年第4期40卷 191-196页

作者：牛永王盼陕西科技大学文理学院陕西西安710021

如何提高V_(3)O_(4)材料的居里温度,是此半金属材料应用于自旋半导体器件所面临的一个重要问题.针对此问题,本论文采用第一性原理计算研究了不同位置的Cr和Ce共掺杂对V_(3)O_(4)自旋极化的影响机制.计算结果表明相比于理想V_(3)O_(4),Cr... 详细信息

如何提高V_(3)O_(4)材料的居里温度,是此半金属材料应用于自旋半导体器件所面临的一个重要问题.针对此问题,本论文采用第一性原理计算研究了不同位置的Cr和Ce共掺杂对V_(3)O_(4)自旋极化的影响机制.计算结果表明相比于理想V_(3)O_(4),Cr和Ce共掺杂降低了V_(3)O_(4)的自旋极化率和总磁矩.但是当Cr和Ce共掺杂都占据A位,都占据B位,以及分别占据B和A位时,其铁磁态稳定性和居里温度都会有极大提高,其中Cr和Ce共掺杂都占据A位时可以最大化提高其铁磁稳定性和居里温度.以上研究为提高V_(3)O_(4)的铁磁稳定性和居里温度提供了有效途径,进一步促进了半金属V_(3)O_(4)材料在自旋电子学中的应用.

关键词：自旋极化共掺杂第一性原理计算

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自旋极化对Kondo系统基态的影响

物理学报 2010年第10期59卷 7320-7326页

作者：黎欢郭卫北京大学物理学院北京100871

Anderson模型中的自旋极化效应是一个普遍存在的问题.本文从Anderson杂质模型出发,利用变分及对角化方法分析了自旋极化所引起的系统基态性质的改变,分别研究了自旋极化对Kondo单态以及高温超导两分量模型中Zhang-Rice单态稳定性的影响... 详细信息

Anderson模型中的自旋极化效应是一个普遍存在的问题.本文从Anderson杂质模型出发,利用变分及对角化方法分析了自旋极化所引起的系统基态性质的改变,分别研究了自旋极化对Kondo单态以及高温超导两分量模型中Zhang-Rice单态稳定性的影响问题。

关键词： Anderson模型自旋极化 Zhang-Rice单态高温超导

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磁共振系统中自旋极化过程的研究

磁共振系统中自旋极化过程的研究

作者：任磊山西大学

学位级别：硕士

近年来,随着精密测量的不断发展和进步,基于量子力学的精密测量逐渐成为研究的热点,深入研究量子系统中的动力学演化过程对精密测量技术的设计和优化有着重要意义。对磁场测量高精度以及高灵敏度的要求,可以通过研究并优化原子自旋动力... 详细信息

近年来,随着精密测量的不断发展和进步,基于量子力学的精密测量逐渐成为研究的热点,深入研究量子系统中的动力学演化过程对精密测量技术的设计和优化有着重要意义。对磁场测量高精度以及高灵敏度的要求,可以通过研究并优化原子自旋动力学演化过程中的参数实现。本文的研究主要围绕以下几个方面展开:1.介绍了铷原子这一碱金属元素的物理性质包括其精细结构和超精细结构,还介绍了其在磁场中的塞曼分裂、通过光抽运实现自旋极化以及施加共振射频场实现退极化的过程。2.从实验上分析研究了铷原子在恒定磁场和正交共振射频场作用下左旋圆偏振激光抽运的磁共振系统中自旋极化过程的时间特性。我们监测了不同探测光功率下的透射光信号,发现射频关闭时的极化过程与探测光功率存在联系,并对实验曲线进行拟合得到其完成极化的时间常数,发现探测光功率越大,完成极化的时间常数越小。3.以二能级系统的原子与单模场的相互作用为例,介绍了半经典密度矩阵理论,在薛定谔绘景和相互作用绘景中对密度矩阵方程的计算过程进行了详细推导。为了从理论上对实验结果进行分析验证,我们利用三能级模型,基于密度矩阵理论计算了该模型的数值解,对数值解图像进行拟合,得到了理论上的时间常数,其规律与实验结果一致,基本能够解释实验,同时表明了理论模型的合理性。目前对原子自旋状态动力学过程的研究逐渐成为人们关注的热点,该方面的研究对磁场精密测量领域有着潜在的重要意义,希望我们的理论和实验能够对此方面的研究提供帮助。

关键词：光抽运自旋极化密度矩阵方程动力学演化

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碱金属自旋极化系综的动力学建模与仿真

碱金属自旋极化系综的动力学建模与仿真

作者：王玉山西大学

学位级别：硕士

近年来在精密测量领域,利用碱金属原子系综的自旋极化过程进行测量的技术迅速发展。目前利用此过程已经可以探测各种物理量,如磁场、角速度、频率等。磁场测量技术也随之迎来高速发展时期,在地球科学、医学、国防军事和基础物理学科等... 详细信息

近年来在精密测量领域,利用碱金属原子系综的自旋极化过程进行测量的技术迅速发展。目前利用此过程已经可以探测各种物理量,如磁场、角速度、频率等。磁场测量技术也随之迎来高速发展时期,在地球科学、医学、国防军事和基础物理学科等领域被广泛应用。在利用碱金属原子系综自旋对磁场实现更高测量灵敏度和测量带宽时,需要不断优化自旋系综的各项参数,因此研究碱金属原子自旋系综的动力学演化过程具有重要的意义。本文首先从碱金属原子的能级结构、光抽运过程、自旋系综在磁场中的拉莫尔进动几个方面介绍了自旋极化的碱金属原子在磁场中的动力学演化过程。接着从经典布洛赫方程入手,对几种典型的碱金属原子磁强计的自旋演化过程进行描述与分析,其中包括射频磁强计、Bell-Bloom磁强计、参数振荡磁强计。在理论分析的基础上,使用Simulink软件对碱金属原子磁强计中的自旋动力学过程进行了建模,模型的核心是布洛赫方程模块,可以描述碱金属原子系综在外磁场作用下随时间演化的自旋进动过程。我们使用Matlab App Designer开发了基于碱金属自旋极化的磁场精密测量系统仿真软件,此软件共包含六个主模块,囊括了常见碱金属原子磁强计的仿真模型,包含射频磁强计、Bell-Bloom磁强计、参数振荡磁强计。对于物理研究方面,此软件为科研人员完成测磁系统参数优化方案分析提供了便捷的工具,构建了一个从量子科学基本原理到磁场精密测量工程技术方案的桥梁;而对于技术方面,本文详细介绍了物理建模过程以及基于Matlab App Designer的软件开发和编译过程,为同类型的软件开发提供一定的思路和帮助。最后我们利用仿真软件设计了一些研究碱金属自旋极化系统中自旋动力学物理过程的实验,通过对实验结果图像的分析,验证了所建模型的正确性。从理论与仿真的双重角度对自旋极化系综的动力学过程进行了深入的理解。我们面向磁场的精密测量,针对提高测量灵敏度和测量带宽的目标,结合理论与仿真研究了碱金属自旋极化系统中自旋动力学过程,为具体分析磁场测量过程中各种参数和噪声分析奠定了基础,对于完成磁场测量系统的参数优化提供一定帮助。

关键词：自旋极化碱金属原子磁强计布洛赫方程仿真 Matlab App Designer

二维过渡金属硫（卤）化物自旋极化的第一性原理研究

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二维过渡金属硫（卤）化物自旋极化的第一性原理研究

作者：李冰月湖南大学

学位级别：硕士

当时间反演对称性破缺或外部影响导致的中心反演对称性破缺时,材料往往呈现出自旋极化的特性。尤其在纳米级自旋电子学领域,具有本征铁磁性的二维半导体材料是人们感兴趣的。以往的研究证实了部分过渡金属硫（卤）二元化合物具有本征铁... 详细信息

当时间反演对称性破缺或外部影响导致的中心反演对称性破缺时,材料往往呈现出自旋极化的特性。尤其在纳米级自旋电子学领域,具有本征铁磁性的二维半导体材料是人们感兴趣的。以往的研究证实了部分过渡金属硫（卤）二元化合物具有本征铁磁性,如薄膜Cr Te具有室温以上长程磁序,且其为超薄范德瓦尔斯磁体;原子薄层Cr Br的固有铁磁性被偏振分辨磁光发光直接探测到。不仅如此,为了探索该类化合物更多的可能性,不断有基于其三元化合物Janus模型的研究涌现出来。本论文在对过渡金属硫（卤）二元化合物的极化机理进行了理论分析的基础上,以过渡金属硫-卤三元化合物Cr OCl为理论载体,探究了反铁磁扭转双层膜中自旋动量耦合的新机制。二维自旋极化的差异很大程度上取决于自旋态的取向,而配体场劈裂能和交换能之间的竞争关系影响着这其中的选择。本论文通过分析影响过渡金属硫（卤）二元化合物极化的几种重要因素,得到了造成两类化合物之间存在微观差异的起源。结合第一性原理计算的数据支持,本论文得出结论,配体场机制、轨道杂化和磁性耦合机制共同构成了极化的微观差异。这也将为低维体系的磁性机理提供理论依据,为未来对极化材料和极化机制的预测提供可行的方向。近年来,随着对过渡金属硫卤化物MXY（M=过渡金属;X=O,S,Se,Te;Y=Cl,Br,I）的关注热度不断提升,关于铬氧卤化物Cr OY的争议也逐渐浮现出来,如其磁基态仍有待讨论。为了更好地理解Cr OY这类层状范德瓦尔斯材料的磁性,本论文采用了第一性原理计算方法,在本论文中研究了正交（空间群:）和六角（空间群:31）晶格结构下二维Cr OCl的电子结构和磁性能。将其构建成双层膜模型后,扭转至特定角度的操作可实现与自旋轨道耦合无关的自旋劈裂效应,这种自旋劈裂效应的效果与自旋轨道耦合引起的结果相差不大。因此其为诱导出自旋流提供了一种新的选择,其机理不同于以往的自旋转移力矩和自旋轨道转矩。这将为纳米级无焦耳热耗散的电控磁器件提供更多可能性。在对自旋极化相关问题逐步明确和清晰之后,本研究实现了在反铁磁双层膜中产生可观的自旋劈裂,这使得能够产生、存储和运输自旋的器件已然不远于未来。

关键词：过渡金属硫化物过渡金属卤化物 Janus结构自旋极化自旋劈裂效应第一性原理

半导体磁纳米结构中电子的居留时间及其自旋极化

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半导体磁纳米结构中电子的居留时间及其自旋极化

作者：郭庆孟桂林理工大学

学位级别：硕士

半导体自旋电子学是利用电子的自旋来携带、处理和传输信息,并结合微电子技术设计新一代自旋电子器件。如何使半导体中的电子发生自旋极化及其调控是半导体自旋电子学研究领域中最具有挑战性的问题之一。本文运用理论分析和数值计算相... 详细信息

半导体自旋电子学是利用电子的自旋来携带、处理和传输信息,并结合微电子技术设计新一代自旋电子器件。如何使半导体中的电子发生自旋极化及其调控是半导体自旋电子学研究领域中最具有挑战性的问题之一。本文运用理论分析和数值计算相结合的方法来研究半导体磁纳米结构中电子的居留时间及其自旋极化与调控,探讨从时间维度上分离电子自旋并实现自旋极化的新方法,为半导体自旋电子器件的应用设计可控的时间自旋分离器。全文分为六章。第一章介绍半导体自旋电子学的研究领域、半导体磁纳米结构、半导体磁纳米结构中时间维度上分离自旋的研究进展和本文的研究内容。第二章介绍本文运用的理论基础和研究方法,包括改进的转移矩阵法和H.G.Winful理论。第三章研究了电子在磁纳米结构中时域上的自旋极化。第四章研究平行式双δ-磁垒纳米结构中δ-掺杂的可控时间自旋分离器。第五章研究内嵌式复合磁电垒纳米结构中电子的居留时间、自旋极化及其控制。第六章是总结与展望。本文研究取得的结果,主要包括以下三个方面:（1）通过研究真实磁垒纳米结构中电子的居留时间,解释了半导体磁纳米结构中从时间维度上分离电子自旋,实现了半导体中电子自旋极化的规律。（2）通过在平行对称双δ-磁垒纳米结构和内嵌式复合磁电垒纳米结构中引入δ-掺杂,探讨了δ-掺杂对自旋极化居留时间的调控,结果发现可以通过改变δ-掺杂的权重或者位置来调控半导体纳米结构中电子的自旋极化居留时间。（3）通过研究内嵌式复合磁电垒纳米结构中电子的居留时间及其自旋极化,探讨了肖特基金属条带对纳米结构中电子的自旋极化居留时间的影响。发现了电子的居留时间及其自旋极化可通过适当地改变肖特基金属条带的位置、宽度和外加电压进行调控。本文研究不仅提出了半导体中对电子自旋极化进行调控的有效方法,而且为半导体自旋电子器件的应用设计了可控的时间自旋分离器。

关键词：半导体自旋电子学半导体磁纳米结构居留时间自旋极化可控的时间自旋分离器