平行耦合双量子点中热控自旋累积效应的研究
本论文首先介绍了国内外对于耦合量子点系统和电子自旋研究的发展历程，然后着重介绍了电子自旋和自旋电子学，以及论文所需要的理论知识，包括热电效应、量子隧穿效应和Rashba自旋轨道耦合效应，以便为接下来的理论推导做好铺垫。在理论推导部分，利用非平衡态格林函数方法，研究了磁化、Rashba自旋轨道耦合作用、磁通量和量子点之间的旁路耦合对系统自旋塞贝克系数以及热电优值的影响。计算部分，我们分别考虑了铁磁构型和反铁磁构型下不加入Rashba自旋轨道耦合和磁通、铁磁构型和反铁磁构型下加入磁通不加入Rashba轨道耦合以及铁磁构型和反铁磁构型下加入Rashba轨道耦合不加入磁通的情况来研究自旋塞贝克系数、电荷塞贝克系数、自旋品质因子和电荷品质因子与量子点能级的关系。关键词 自旋电子学，Rashba自旋轨道耦合，非平衡态格林函数，塞贝克系数
目录
1 绪论 2
1.1研究背景 2
1.2 国内外研究现状 2
1.3 电子自旋和自旋电子学 3
1.3.1 电子自旋 3
1.3.2 自旋电子学 5
1.4 热电效应和热自旋效应 5
1.4.1热电效应 5
1.4.2 热自旋效应 5
1.5 量子点体系中的电子输运 6
1.5.1量子隧穿效应 6
1.5.2 Rashba自旋轨道耦合效应 6
1.6 本论文研究内容、意义 7
1.6.1 研究内容 7
1.6.2 论文研究的意义 7
2 理论模型和计算公式 7
2.1 模型的建立 7
2.2 计算结果分析 11
结论 21
致 谢 22
参考文献 23
1 绪论
1.1研究背景
近年来，由于量子点系统的热电转换效率高，其热电效应的研究引起了许多人广泛的关注。因此，关于热电材料的研究和应用也十分广泛。由于热电材料具有很大的应用优势，目前，热电材料已经应用到传感器、太空船、人造卫星等器件中。
在考虑了Rashba自旋轨道耦合作用之后，对耦合量子点体系电荷的输运特性，许多研究者展开了大量 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
的研究。在国外研究者提出了自旋场效应晶体管之后,有人提出用Rashba的自旋轨道耦合来控制载流子的自旋极化分布。基于此,量子点干涉仪已被在实验中开发出来并被用于研究重要的输运现象。在此过程中，双量子点体系也备受研究者的关注，人们也从中获得了许多研究成果。但是，通过调节Rashba自旋轨道的相互作用来有效控制自旋输运，目前来说还是非常困难的。
在此背景下，本文将对平行耦合双量子点中的热自旋效应进行研究。
1.2 国内外研究现状
1980年，在固态器件中发现了与电子自旋相关的电子输运现象，由此开始了自旋电子学的发展。
近年来在人们对热电效应的广泛关注下，有许多国内外专家都有了自己的研究。国外的研究现状：Beenakker和Staring提出[1]，他们发现系统的热电势要比系统的电导对系统的参数更灵敏，这个结论是他们在研究量子点系统的传输特性时候得出来的。Francoa研究了用两个铁磁电极连接平行耦合量子点的热电特性[2]，通过研究他得出热电势符号的改变可以通过调节其量子点的能级来实现；另外，有一个结论是在这样的低维系统中影响系统量子态的一个重要原因就是Rashba自旋轨道耦合；在Rashba自旋轨道耦合的作用下，我们可以实现自旋分离，同时在耦合的作用下，我们可以生成纯自旋流。Datta和Das曾经就利用Rashba自旋轨道耦合来控制过载流子的自旋极化的分布[3]，这个结果被用于研究许多重要的输运现象。波兰物理学家维日比茨基对耦合到铁磁电极的双能级量子点的研究表明[4]，磁场对热电性能的影响导致非线性热电势产生非常强的自旋效应；在较大的温差区域会有自旋热电势产生，电极上的电荷热电势和自旋热电势不能忽视。除了以上物理学家，还有许多外国物理学家对此有大量的研究。在国内也有许多物理学家有自己的研究：孙等人首先提出了Rashba自旋轨道的相互作用能够产生自旋相关的相位因子[5]，这是在电极和量子点之间的耦合，并且考虑Rashba量子点嵌入到一个量子环结构中，对其电子自旋传输性质进行讨论；可以通过调整磁通量和栅极电压来控制自旋极化的大小和方向。朱研究了与铁磁电极耦合的单量子点的热自旋反转现象[6]，他充分考虑并讨论了影响热自旋效应的几个重要因素，包括库仑阻塞、塞曼分裂、自旋极化的强度以及量子点与电极之间的耦合强度；通过他对这些因素的研究，朱得出的结论是这样的：自旋塞贝克系数的符号与量子点与电极之间的耦合强度有关，并且也与其中的磁场强度有关，不仅如此，自旋塞贝克系数的符号也与系统参量有关。刘利用非平衡态格林函数的方法研究了平行双量子点随着系统其他参数改变而发生变化的规律[7]；发现当量子点系统的分子能级接近电极化学势时，Fano透射共振是由电子波函数由键合状态和反键合状态引起的量子干涉效应引起的，这种效应的变化使得系统的塞贝克系数得到明显的增加，同时，在该效应引起塞贝克系数增加的同时系统的洛伦兹数也会跟随着增加；此外，刘也发现了这样的结论，如果在库仑阻塞区中存在一个传输节点，然后假定电子电子库仑相互作用存在于这个传输节点，会有两组电导出现在量子点能级的电导率曲线上，最后发现系统的热电优值会随之增加[8]，这个现象的成因可以归结于量子点能级出现在两组电导变化曲线的极大值或极小值之间的位置。
在1995年[9]，人们观察到一个大的隧道磁阻（TMR）现象，这个现象是用绝缘层代替导体Cr在Fe / / Fe夹层结构中，由此开创了自旋电子学的新方向。可以说，自旋电子学目前处于发展阶段，许多新现象和应用随着科技的发展和人们的认识水平的不断提高会被不断的发现。
1.3 电子自旋和自旋电子学
1.3.1 电子自旋
许多实验事实证明电子具有自旋，接下来在这里我们主要是了解一下施特恩格拉赫（SternGerlach）实验。
如下图J中，由K射出的处于S态的氢原子束通过狭缝B和不均匀磁场，最后射到照片P上，实验结果是照片上出现两条分立的线。这说明氢原子具有磁矩，所以原子束通过非均匀磁场时受到力的作用而发生偏转；而且由分立线只有两条这一事实表明，原子的磁矩在磁场中只有两种取向，即它们是空间量子化。假设原子的磁矩为M，所以沿z方向的外磁场中的势能为：
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1 绪论 2
1.1研究背景 2
1.2 国内外研究现状 2
1.3 电子自旋和自旋电子学 3
1.3.1 电子自旋 3
1.3.2 自旋电子学 5
1.4 热电效应和热自旋效应 5
1.4.1热电效应 5
1.4.2 热自旋效应 5
1.5 量子点体系中的电子输运 6
1.5.1量子隧穿效应 6
1.5.2 Rashba自旋轨道耦合效应 6
1.6 本论文研究内容、意义 7
1.6.1 研究内容 7
1.6.2 论文研究的意义 7
2 理论模型和计算公式 7
2.1 模型的建立 7
2.2 计算结果分析 11
结论 21
致 谢 22
参考文献 23
1 绪论
1.1研究背景
近年来，由于量子点系统的热电转换效率高，其热电效应的研究引起了许多人广泛的关注。因此，关于热电材料的研究和应用也十分广泛。由于热电材料具有很大的应用优势，目前，热电材料已经应用到传感器、太空船、人造卫星等器件中。
在考虑了Rashba自旋轨道耦合作用之后，对耦合量子点体系电荷的输运特性，许多研究者展开了大量 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
的研究。在国外研究者提出了自旋场效应晶体管之后,有人提出用Rashba的自旋轨道耦合来控制载流子的自旋极化分布。基于此,量子点干涉仪已被在实验中开发出来并被用于研究重要的输运现象。在此过程中，双量子点体系也备受研究者的关注，人们也从中获得了许多研究成果。但是，通过调节Rashba自旋轨道的相互作用来有效控制自旋输运，目前来说还是非常困难的。
在此背景下，本文将对平行耦合双量子点中的热自旋效应进行研究。
1.2 国内外研究现状
1980年，在固态器件中发现了与电子自旋相关的电子输运现象，由此开始了自旋电子学的发展。
近年来在人们对热电效应的广泛关注下，有许多国内外专家都有了自己的研究。国外的研究现状：Beenakker和Staring提出[1]，他们发现系统的热电势要比系统的电导对系统的参数更灵敏，这个结论是他们在研究量子点系统的传输特性时候得出来的。Francoa研究了用两个铁磁电极连接平行耦合量子点的热电特性[2]，通过研究他得出热电势符号的改变可以通过调节其量子点的能级来实现；另外，有一个结论是在这样的低维系统中影响系统量子态的一个重要原因就是Rashba自旋轨道耦合；在Rashba自旋轨道耦合的作用下，我们可以实现自旋分离，同时在耦合的作用下，我们可以生成纯自旋流。Datta和Das曾经就利用Rashba自旋轨道耦合来控制过载流子的自旋极化的分布[3]，这个结果被用于研究许多重要的输运现象。波兰物理学家维日比茨基对耦合到铁磁电极的双能级量子点的研究表明[4]，磁场对热电性能的影响导致非线性热电势产生非常强的自旋效应；在较大的温差区域会有自旋热电势产生，电极上的电荷热电势和自旋热电势不能忽视。除了以上物理学家，还有许多外国物理学家对此有大量的研究。在国内也有许多物理学家有自己的研究：孙等人首先提出了Rashba自旋轨道的相互作用能够产生自旋相关的相位因子[5]，这是在电极和量子点之间的耦合，并且考虑Rashba量子点嵌入到一个量子环结构中，对其电子自旋传输性质进行讨论；可以通过调整磁通量和栅极电压来控制自旋极化的大小和方向。朱研究了与铁磁电极耦合的单量子点的热自旋反转现象[6]，他充分考虑并讨论了影响热自旋效应的几个重要因素，包括库仑阻塞、塞曼分裂、自旋极化的强度以及量子点与电极之间的耦合强度；通过他对这些因素的研究，朱得出的结论是这样的：自旋塞贝克系数的符号与量子点与电极之间的耦合强度有关，并且也与其中的磁场强度有关，不仅如此，自旋塞贝克系数的符号也与系统参量有关。刘利用非平衡态格林函数的方法研究了平行双量子点随着系统其他参数改变而发生变化的规律[7]；发现当量子点系统的分子能级接近电极化学势时，Fano透射共振是由电子波函数由键合状态和反键合状态引起的量子干涉效应引起的，这种效应的变化使得系统的塞贝克系数得到明显的增加，同时，在该效应引起塞贝克系数增加的同时系统的洛伦兹数也会跟随着增加；此外，刘也发现了这样的结论，如果在库仑阻塞区中存在一个传输节点，然后假定电子电子库仑相互作用存在于这个传输节点，会有两组电导出现在量子点能级的电导率曲线上，最后发现系统的热电优值会随之增加[8]，这个现象的成因可以归结于量子点能级出现在两组电导变化曲线的极大值或极小值之间的位置。
在1995年[9]，人们观察到一个大的隧道磁阻（TMR）现象，这个现象是用绝缘层代替导体Cr在Fe / / Fe夹层结构中，由此开创了自旋电子学的新方向。可以说，自旋电子学目前处于发展阶段，许多新现象和应用随着科技的发展和人们的认识水平的不断提高会被不断的发现。
1.3 电子自旋和自旋电子学
1.3.1 电子自旋
许多实验事实证明电子具有自旋，接下来在这里我们主要是了解一下施特恩格拉赫（SternGerlach）实验。
如下图J中，由K射出的处于S态的氢原子束通过狭缝B和不均匀磁场，最后射到照片P上，实验结果是照片上出现两条分立的线。这说明氢原子具有磁矩，所以原子束通过非均匀磁场时受到力的作用而发生偏转；而且由分立线只有两条这一事实表明，原子的磁矩在磁场中只有两种取向，即它们是空间量子化。假设原子的磁矩为M，所以沿z方向的外磁场中的势能为：
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