半导体磁量子微结构中传输时间与电子自旋极化研究

Adopting the theoretical analysis combining with the numerical simulation, this project investigates the transmission time of the spin electron in three kinds of typical semiconductor magnetic quantum microstructures (magnetic-barrier structure, hybrid magnetic-electric-barrier structure, and δ-doped magnetic structure) which have been realized or may be realized in experiments, and explores the new way to realize the electron-spin polarization in the semiconductor materials. In this project, the improved transfer-matrix method (ITMM) will be used to numerically solve the Schrödinger equation for calculating wave amplitudes and phase shifts of transmitted and reflected electrons. From these wave amplitudes and phase shifts, the dwell time of the spin electron can be then obtained with the help of the Winful's theory (WFT), and the degree of the electron-spin polarization can be given ultimately. By considering the influences of some realistic factors such as the structural parameters, the external electric field and the spin-orbit coupling (SOC), the general rule of the transmission time and its manipulation for the spin electron in the semiconductor magnetic quantum microstructure can be revealed. The principle of the electron-spin polarization in the semiconductor materials realized by separating spins from the transmission time can be exposited clearly. It is expected to achieve an effective way to spin inject into the semiconductor materials and a class of electron spin temporal splitters, which may be helpful for theoretical instructing design, exploitation and application of spintronics devices.

采用理论分析和数值计算相结合的方法，研究实验上已实现或可实现的三种典型半导体磁量子微结构（磁垒结构、复合磁电垒结构、δ-掺杂磁结构）中电子的传输时间，探索实现半导体材料中电子自旋极化的新途径。本项目拟采用改进的转移矩阵法（ITMM方法）数值求解Schrödinger方程，计算透射和反射电子的波幅与相移，利用Winful理论（WFT方法）由波幅和相移计算自旋电子的居留时间（The dwell time），进而给出电子的自旋极化度，同时考虑结构尺寸、外加电场、自旋-轨道耦合（SOC项）等实际因素的影响，从而揭示半导体磁量子微结构中自旋电子传输时间及其调控的规律，阐明利用传输时间分离自旋、实现半导体材料中电子自旋极化的原理，期望获得一种半导体材料自旋注入的有效方法与一类自旋时间分裂器（Spin temporal splitter），为自旋电子器件的设计、开发和应用提供理论指导。

利用现代材料生长技术，半导体异质结界面内高迁移率二维电子气可被纳米范围内不均匀磁场限制，在实验上制备半导体磁量子微结构（SMQM）。因为小尺寸、低维度与磁受限，SMQM结构在半导体自旋电子学领域中具有潜在的应用。针对半导体材料中电子自旋极化及其调控的基本科学问题，本项目采用理论分析与数值计算相结合的方法研究SMQM结构中电子的传输时间，揭示从时间维度上分离自旋的机理，探索实现半导体材料中电子自旋极化的新途径，设计新型的时间电子自旋分裂器（TESS）。.建立研究半导体微结构中电子传输时间的理论、方法与计算程序（可为同行借鉴与参考），分析和计算实验上已实现的或可实现的磁垒型、复合磁电垒型、δ-掺杂型等典型SMQM结构中电子的居留时间。由于旋-场相互作用，发现电子的居留时间与其自旋密切相关，因此可从时间维度上分离自旋、实现半导体中电子的自旋极化，并设计TESS器件。因为电子的有效势与系统中肖特基金属（SM）条带有关，发现可通过改变SM条带的位置、宽度与负压等调控居留时间及其自旋极化，获得可控的TESS器件。引入可调δ-势，发现δ-掺杂不改变SMQM结构中电子居留时间与其自旋的关联，但是调节δ-掺杂的权重或位置可控制电子的自旋极化率，设计结构上可调的TESS器件。沿着电子输运方向施加偏压（产生横向电场），发现可通过改变偏压的大小或极性以全电的方式有效地调控SMQM结构中居留时间及其自旋极化，获得电可控的TESS器件。借助本项目建立的研究方法，探索了自旋-轨道耦合、δ-掺杂、偏压等对SMQM结构（包括层状半导体纳米结构）中电子自旋过滤、磁阻、波矢过滤等的影响，提出了相应的可控电子自旋过滤器、磁阻器件和动量过滤器。.本项目取得的研究成果有助于理解从时间维度上分离自旋、实现半导体材料中电子自旋极化的科学内涵与物理机制，指导相关的实验工作，获得半导体自旋注入的有效方法及TESS器件，为自旋电子器件的设计、开发和应用奠定理论基础与技术支撑。