半導體自旋霍爾效應與石墨烯一維零線模態(tài)研究.pdf

1、自旋霍爾效應是指縱向電流誘導產(chǎn)生橫向自旋輸運的一種現(xiàn)象。作為自旋電子學領(lǐng)域的重要概念和方法，自旋霍爾效應提供了利用純電學手段來操控自旋自由度的可能。根據(jù)自旋軌道耦合來源的不同，自旋霍爾效應的產(chǎn)生機制分為內(nèi)稟性和外稟性兩種，其中外稟性機制中又包含側(cè)躍(side jump)和偏散射(skewscattering)兩種效應。自2003年以來，關(guān)于半導體材料中自旋霍爾效應的微觀動力學研究已經(jīng)取得了很大的進展，各機制單獨作用下自旋霍爾效應的規(guī)律基

2、本為人們所掌握，計算得到的自旋霍爾電導與實驗定量符合。另一方面，內(nèi)稟性與外稟性機制之間的關(guān)系與相互作用仍然有待厘清。在簡單梳理各單一機制貢獻的基礎(chǔ)上，我們從量子劉維方程出發(fā)，得到弱散射情形下密度矩陣滿足的動力學方程，方程中的哈密頓量將同時包含能帶自旋軌道耦合和雜質(zhì)自旋軌道耦合。經(jīng)過計算，我們發(fā)現(xiàn)常規(guī)定義下的側(cè)躍項和偏散射項對自旋霍爾效應貢獻為零，系統(tǒng)另外出現(xiàn)與反常位置算符(r)SO相關(guān)的兩種反常自旋進動項，對于二維半導體電子體系，由電子

3、反常進動項導致的自旋霍爾電導σSHEλ大小為純側(cè)躍霍爾電導的一半，而符號卻與之相反。進一步地，我們將電子能帶自旋軌道耦合由線性k項推廣至立方Rashba項，對于前者，雜質(zhì)反常自旋進動貢獻σSHUλ=-σSHEλ的自旋霍爾電導，總自旋霍爾電導因此消失;對于后者，雜質(zhì)反常自旋進動的貢獻為σSHUλ=-σSHEλ/2，總自旋霍爾電導取有限值。反常自旋進動對空穴系統(tǒng)的貢獻為零。反常自旋進動的出現(xiàn)，本質(zhì)上可視為電場和雜質(zhì)相關(guān)的自旋軌道耦合對能帶自

4、旋軌道耦合的重整化效應。最后，我們認為有希望在二維銻化銦量子阱體系中觀察到反常自旋進動霍爾效應。
　　相比傳統(tǒng)半導體材料，石墨烯具有單原子層厚的本征二維屬性和低能線性色散關(guān)系，堪稱孕育新奇量子物態(tài)的溫床?；谑┑模孔樱┳孕魻栃?，（量子）谷霍爾效應和（量子）反?；魻栃壤碚摲桨赶嗬^被提出。石墨烯動量空間中的兩能谷相距較遠，谷間散射較弱，低能下谷指標作為贗自旋自由度，可以用于電子學信息處理。在空間反演對稱破缺的情況下，石墨

5、烯中將出現(xiàn)谷霍爾效應現(xiàn)象，與自旋霍爾效應類似，這時縱向電場將導致不同能谷處的電子偏向樣品相反邊界，產(chǎn)生谷指標的橫向傳遞。雙層石墨烯的空間反演對稱性能夠被外加層間電勢差所破壞，在此基礎(chǔ)上，當層間電勢差在空間某處發(fā)生翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)處會出現(xiàn)局域的一維零線模態(tài)。零線模態(tài)與翻轉(zhuǎn)勢兩側(cè)區(qū)域的能帶拓撲性質(zhì)有關(guān)并受到拓撲保護。零線模態(tài)攜帶確定的谷指標，其傳輸方向呈現(xiàn)手征性，可以被用來設計和操控電流通道。雙層石墨烯層間電勢差的最直接實現(xiàn)方案是利用外電極加壓，

6、由于零線模態(tài)所允許的翻轉(zhuǎn)勢的最大跨度在100 nm以內(nèi)。不同極板之間的準直會對一維零線模態(tài)的實驗觀察產(chǎn)生顯著的影響。我們考慮了外電極的各種可能空間幾何位錯，并利用緊束縛模型方法模擬了各種位錯對零線模態(tài)能帶的影響。我們發(fā)現(xiàn)上下極板之間的相對位移對零線模態(tài)能帶的扭曲為最大，而零線模態(tài)傳輸方向?qū)κ┚Ц裰芷陬愋偷囊蕾嚥⒉幻舾小？紤]到實際樣品中廣泛存在各種拓撲缺陷，我們利用Landauer-Büttiker公式計算了拓撲缺陷對零線模態(tài)輸運性質(zhì)