二維電子氣是在二維平面內(nèi)能自由運(yùn)動(dòng),而垂直于該平面方向運(yùn)動(dòng)受限的電子系統(tǒng),它的獨(dú)特性質(zhì)使其成為凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。本書采用轉(zhuǎn)移矩陣方法,分別對(duì)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)、石墨烯和拓?fù)浣^緣體表面幾種典型二維電子氣體系在鐵磁近鄰作用下的自旋相關(guān)輸運(yùn)問(wèn)題進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究,旨在為納米電子器件和自旋量子器件的設(shè)計(jì)提供物理基礎(chǔ)。

第一章簡(jiǎn)要介紹了幾種典型二維電子氣體系的實(shí)現(xiàn)及實(shí)驗(yàn)制備,以及它們的物理性質(zhì)和應(yīng)用背景。

第二章詳細(xì)介紹了介觀輸運(yùn)研究中常用的轉(zhuǎn)移矩陣方法。

第三章根據(jù)薛定諤方程,研究半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)二維電子氣在外加兩個(gè)不對(duì)稱磁壘作用下的自旋相關(guān)輸運(yùn)性質(zhì)。結(jié)果表明:不一致的磁壘可以使體系電導(dǎo)自旋分離,進(jìn)而導(dǎo)致隧穿磁阻的自旋分離;磁壘間隔越小,不對(duì)稱性越明顯,自旋分離也越明顯。因此,通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)外加磁壘的結(jié)構(gòu)參數(shù),可以獲得自旋明顯分離的電導(dǎo)和磁阻。

第四章從Dirac方程出發(fā),分別研究了石墨烯和扶手椅型邊緣石墨烯納米條帶在兩個(gè)可調(diào)磁壘作用下的自旋相關(guān)輸運(yùn)性質(zhì)。結(jié)果表明:當(dāng)兩磁壘相對(duì)高度差較大時(shí),體系低能量區(qū)域禁止導(dǎo)通,且反平行情況下的透射譜不再關(guān)于入射角對(duì)稱;當(dāng)兩磁壘間隔增大時(shí),中間區(qū)域左行波和右行波的干涉增強(qiáng)，使透射譜更加離散化。當(dāng)磁壘寬度變大時(shí),由于衰減態(tài)的存在,凡是衰減長(zhǎng)度小于勢(shì)壘寬度的電子波將不能透過(guò)勢(shì)壘。相應(yīng)地,體系的隧穿電導(dǎo)和磁阻隨結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的特征與透射譜一致,磁壘絕對(duì)和相對(duì)高度的增強(qiáng)或磁壘寬度變大都會(huì)使得電導(dǎo)減小,磁阻增大,而磁壘間隔增大只是導(dǎo)致電導(dǎo)和磁阻振蕩加強(qiáng)。扶手椅型石墨烯納米條帶在磁壘作用下的輸運(yùn)特性是：橫向受限導(dǎo)致橫向波矢離散化,所以磁化平行和反平行構(gòu)型下體系都呈現(xiàn)平臺(tái)電導(dǎo),由此導(dǎo)致了平臺(tái)磁阻。同時(shí),條帶寬度不同,其能帶結(jié)構(gòu)和輸運(yùn)電導(dǎo)的特征也不相同。

第五章是我們研究的重點(diǎn)內(nèi)容。利用轉(zhuǎn)移矩陣方法,研究了電磁復(fù)合超晶格作用下三維拓?fù)浣^緣體表面的能帶結(jié)構(gòu)和輸運(yùn)性質(zhì),以及電子自旋極化的分布。結(jié)果表明:由于磁化方向從平行到反平行造成勢(shì)壘的結(jié)構(gòu)差異,在同樣的能量窗口,反平行構(gòu)型下子能級(jí)的數(shù)目多于平行情況。當(dāng)磁壘足夠強(qiáng)時(shí),平行和反平行構(gòu)型下低能量區(qū)域子能帶都幾乎平行于坐標(biāo)軸,這意味著傳輸速度趨于零,所以電子的傳輸將被禁止，而電壘的變化對(duì)體系能帶結(jié)構(gòu)影響不大。體系的透射通道數(shù)目與能帶結(jié)構(gòu)是一致的,磁壘增強(qiáng)時(shí)反平行情況下存在更寬的禁止導(dǎo)通區(qū)域。電壘增強(qiáng)時(shí),當(dāng)能量與電壘高度匹配時(shí),只存在小角度入射的透射通道。此外,我們還研究了表面電子的自旋極化分布。在動(dòng)量空間,其自旋極化分布表明反射電子和透射電子出現(xiàn)的能量區(qū)域與透射譜都是相對(duì)應(yīng)的。由于自旋與動(dòng)量的鎖定,反射電子自旋極化取向相對(duì)于入射電子旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度,而透射電子與入射電子一致。但在坐標(biāo)空間,入射區(qū)域電子平面內(nèi)自旋極化只隨縱坐標(biāo)周期性變化,但z分量不為零,打破了自旋平面的鎖定。在透射區(qū)只有透射波,因此該區(qū)域內(nèi)電子自旋極化取向與坐標(biāo)無(wú)關(guān),只隨入射電子取向而變化。

第六章對(duì)本書相關(guān)研究工作進(jìn)行了總結(jié)和歸納,并對(duì)二維電子氣體系在鐵磁近鄰作用下的輸運(yùn)研究進(jìn)行了展望。