外场和自旋轨道耦合调制下非磁纳米结构中电子输运机理研究

Due to the rapid development of spintronics and the significant application prospects of spintronic devices, the spin transport porperty in nanostructures becomes a hot topic of the condensed matter field in recent years. This project intends to use the transfer matrix method to theoretically study the spin-dependent electronic transport mechanism in nonmagnetic nanostructures modulated by external fields and spin-orbit coupling effects. The main contents are as follows: (1) We analyze effects of the external field, spin-orbit coupling, delta-doping and structure size as well as the incident electron energy on the electronic transport mechanism, and we establish a nonmagnetic nanostructure model under the influence of a variety of influencing factors; (2) For the model, we derive expressions of the electronic transmission coefficient, conductance and spin polarization, and establish the general program for the numerical calculation; (3) By numerical computation and numerical analysis, we reveal the relationship between the electron transport and influencing factors, and investigate the relationship between the factors when the electron transport changes; (4) We determine the condition to achieve the larger spin polarization and polarization current, and we will do experimental verification. The study is expected to be helpful for understanding the electron transport properties in nonmagnetic nanostructures and exploring the effective theory method of controlling electron spin, thus contributes to the experimental design of the artificial structure in nanoscale and promotes the study of a new type of artificial material physics and spintronic devices.

由于自旋电子学的快速发展及自旋电子学器件具有的重大应用前景，纳米结构中自旋输运特性成为近年来凝聚态领域前沿研究的热点。 本项目拟采用转移矩阵方法理论上研究外场和自旋轨道耦合调制的非磁纳米结构中电子自旋输运机理。主要内容有：（1）分析外场、自旋轨道耦合、delta掺杂、结构尺寸和入射电子能量对电子输运性质的影响机理，据此建立多种因素影响下的非磁纳米结构模型；（2）针对模型，求解电子的透射系数、电导和自旋极化的表达式，建立进行数值计算的通用程序；（3）通过数值计算与数值分析，揭示电子输运与影响因素之间的依赖规律，以及电子输运变化时影响因素之间的关系；（4）确定获得较大自旋极化和极化电流的条件并在实验上进行验证。 有关研究可望加深对非磁纳米结构中电子输运性质的本质认识，探索到可控电子自旋的有效理论途径，进而促进实验上设计出具有纳米尺度的薄膜人工结构，推动新型人工材料物理和自旋电子学器件的研究。

自旋电子学是近年来在凝聚态物理中发展起来的新学科分支，由于它在信息存储方面的重大应用前景，受到学术界和工业界的高度重视。研究发现被取向了的自旋电子在纳米尺度的运动距离可保持方向不变，可用它来作为信息的存储和输运。加强这方面的研究，对我国的信息通讯、国防军事、航空航天等领域具有十分重要的战略意义。因此，本项目采用转移矩阵方法理论上研究外场和自旋轨道耦合调制的非磁纳米结构中电子自旋输运机理。详细分析了外场、自旋轨道耦合、delta 掺杂、结构尺寸和入射电子能量对电子输运性质的影响机理，基于这些分析，找到了获得较大自旋极化的多种方法，本项目还分析了实际磁场调制的纳米结构中以及石墨烯器件中电子的输运性质，取得了一系列的重要研究成果。在Physics Letters A，Materials Science in Semiconductor Processing，Physica E，International Journal of Modern Physics B国际重要期刊上发表SCI收录论文6篇，获得2016 年湖北省自然科学三等奖 1 项。本项目的主要工作如下：. （1）基于转移矩阵方法和数值计算，分析了非磁纳米结构中电子输运性质的多种影响因素，据此建立了多种因素影响下的非磁纳米结构模型，揭示了电子输运与影响因素之间的依赖规律，以及电子输运变化时影响因素之间的关系，据此确立了获得较大自旋极化和极化电流的方法。. （2）建立了实际磁场和delta掺杂调制的纳米结构模型，研究了纳米结构中电子自旋极化的输运性质，揭示了delta掺杂对电子的透射几率、电导和自旋极化的影响，确立了取得较大自旋极化的条件。. （3）建立了肖特基金属条和实际磁场调制的石墨烯纳米器件模型，以及肖特基金属条和delta磁场共同调制的石墨烯纳米器件模型，分析了器件模型中电子的入射角、肖特基金属条的的位置和宽度以及肖特基金属条上施加偏压的大小对电子输运性质的影响，这些研究有助于理解铁磁条和肖特基金属条共同调制的单层石墨烯器件中电子的输运机制，进而促进基于石墨烯的磁电设置的设计。