【摘要】：如何調(diào)控半導(dǎo)體量子點(diǎn)系統(tǒng)電輸運(yùn)一直是電子科技領(lǐng)域中具有廣闊應(yīng)用前景的研究課題。半導(dǎo)體量子點(diǎn)通常在單電子靜電計(jì)、靜態(tài)存儲(chǔ)器元件、量子信息科學(xué)、量子計(jì)算等方面得以應(yīng)用。與單量子點(diǎn)系統(tǒng)相比,耦合多量子點(diǎn)系統(tǒng)具有更多可調(diào)參數(shù),可以更加容易地控制系統(tǒng)電荷輸運(yùn)、自旋極化輸運(yùn)和熱電輸運(yùn)等。耦合多量子點(diǎn)可被用作集成量子芯片的基礎(chǔ)電子元器件,而耦合多量子點(diǎn)系統(tǒng)電輸運(yùn)和熱電轉(zhuǎn)換的研究,則為設(shè)計(jì)與制備新型量子功能器件提供必要的理論支撐。本文利用Keldysh非平衡格林函數(shù)建立Dyson方程的方法,結(jié)合Langreth定理對(duì)幾種不同構(gòu)型的耦合多量子點(diǎn)干涉儀系統(tǒng)電荷輸運(yùn)、光子輔助電輸運(yùn)、自旋輸運(yùn)及熱電輸運(yùn)進(jìn)行理論研究。首先,在平行雙量子點(diǎn)干涉儀結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上側(cè)向懸掛一個(gè)量子點(diǎn),設(shè)計(jì)成非對(duì)稱三量子點(diǎn)干涉儀光子輔助電輸運(yùn)模型。通過調(diào)節(jié)量子點(diǎn)間耦合強(qiáng)度、含時(shí)外場(chǎng)的振幅和頻率可以控制系統(tǒng)的平均電流峰值的大小和位置,實(shí)現(xiàn)介觀器件的整流功能。對(duì)含時(shí)外場(chǎng)振幅的調(diào)控可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平均電流峰與谷之間的轉(zhuǎn)換。調(diào)節(jié)量子點(diǎn)-電極之間耦合強(qiáng)度的非對(duì)稱性參數(shù),能夠使平均電流主峰與旁帶峰更加易于區(qū)分,有助于確定系統(tǒng)能級(jí)的分立。其次,為使介觀量子器件中的自旋極化電流得到更加有效地控制,設(shè)計(jì)了在Aharonov-Bhom干涉儀兩臂中分別嵌入“T-型三量子點(diǎn)分子”模型,研究了該量子器件中光子輔助電荷及自旋輸運(yùn)特性。當(dāng)有橫向磁通穿過系統(tǒng)時(shí),可觀察到平均電流的Aharonov-Bhom效應(yīng)。通過調(diào)節(jié)Rashba自旋-軌道耦合強(qiáng)度,可以在整個(gè)量子點(diǎn)能級(jí)區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)純自旋向上(向下)的極化傳輸。在對(duì)稱含時(shí)外場(chǎng)作用中,通過調(diào)節(jié)直流偏壓、磁通和Rashba自旋-軌道耦合相位因子,自旋極化的大小和方向都可以有效地控制。在系統(tǒng)中施加時(shí)間調(diào)制的非對(duì)稱外場(chǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)多光子-電子泵功能。再次,設(shè)計(jì)并研究了“線型雙量子點(diǎn)分子”Aharonov-Bohm干涉儀光子輔助電輸運(yùn)和“線型三量子點(diǎn)分子”Aharonov-Bohm干涉儀電輸運(yùn)。在“線型雙量子點(diǎn)分子”Aharonov-Bohm干涉儀的研究中,調(diào)節(jié)量子點(diǎn)間耦合強(qiáng)度或磁通可以誘導(dǎo)電導(dǎo)共振峰發(fā)生劈裂�？刂茩M向磁通的有無,可實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)共振峰數(shù)值在0與1之間的相互轉(zhuǎn)換,這為制造量子開關(guān)提供了一個(gè)新的物理解決方案。借助磁通和Rashba自旋-軌道相互作用,該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自旋過濾。對(duì)于“線型三量子點(diǎn)分子”Aharonov-Bohm干涉儀,當(dāng)兩個(gè)“線型三量子點(diǎn)分子”內(nèi)點(diǎn)間耦合強(qiáng)度的數(shù)值差較小時(shí),在電導(dǎo)譜中可以觀察到Fano反共振峰。通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù),可同時(shí)形成兩個(gè)束縛態(tài)。隨著磁通量相位因子在)0(-π范圍內(nèi)的增加,系統(tǒng)電導(dǎo)反共振點(diǎn)逐漸演變成反共振帶。研究結(jié)果為“線型耦合多量子點(diǎn)分子鏈”嵌入Aharonov-Bohm干涉儀系統(tǒng)電輸運(yùn)的進(jìn)一步研究提供了新的認(rèn)知。最后,為提升介觀量子器件的熱電轉(zhuǎn)換性能,在平行耦合雙量子點(diǎn)基礎(chǔ)上對(duì)稱側(cè)向懸掛單量子點(diǎn)。由于對(duì)稱側(cè)向懸掛量子點(diǎn)的耦合作用,在低溫條件下電導(dǎo)譜和熱導(dǎo)譜均產(chǎn)生了雙Fano共振,這在很大程度上增強(qiáng)了系統(tǒng)熱電轉(zhuǎn)換性能。由于局域雙極化效應(yīng)與Fano效應(yīng)的共同作用,該系統(tǒng)比平行耦合雙量子點(diǎn)系統(tǒng)的熱電優(yōu)值提高一倍,基于此該系統(tǒng)可用于設(shè)計(jì)高效熱電轉(zhuǎn)換的量子器件。在相對(duì)高溫條件下,通過調(diào)整量子點(diǎn)-電極耦合強(qiáng)度和量子點(diǎn)能級(jí),可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)熱電優(yōu)值的優(yōu)化�？傊�,本文設(shè)計(jì)并研究了幾種典型耦合多量子點(diǎn)干涉儀的電子輸運(yùn)、光子輔助電輸運(yùn)、自旋極化輸運(yùn)和熱電輸運(yùn)。闡明了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)對(duì)電導(dǎo)、平均電流、自旋極化電流和熱電參量的有效控制。這些典型耦合多量子點(diǎn)干涉儀系統(tǒng)對(duì)于實(shí)驗(yàn)來說結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜,對(duì)歐姆接觸電極進(jìn)行設(shè)計(jì)之后便可在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)。本文的結(jié)論期望有助于自旋量子器件和熱電轉(zhuǎn)換量子器件的設(shè)計(jì)與研發(fā)。
【圖文】：

另一個(gè)特征是類似于原子電離能的充電能點(diǎn)移除單個(gè)電子所需的能量。由于半導(dǎo)體現(xiàn)出強(qiáng)庫侖相互作用。只有向半導(dǎo)體量子體量子點(diǎn)與系統(tǒng)其它部分之間的總電容）效電子溫度 kTΒ小于系統(tǒng)費(fèi)米能級(jí)Fε 時(shí)，入半導(dǎo)體量子點(diǎn)系統(tǒng)。在相對(duì)低溫條件下子。于是此時(shí)半導(dǎo)體量子點(diǎn)內(nèi)部的電子數(shù)理性質(zhì)上類似真實(shí)原子，單個(gè)半導(dǎo)體量子半導(dǎo)體量子點(diǎn)的類原子物理特性研究不是測(cè)量它們的電子傳輸特性，即通過半導(dǎo)體體量子點(diǎn)具有點(diǎn)接觸引線探測(cè)電流、電壓及原子物理屬性，如圖 1.1 所示[13]。微波場(chǎng)

圖 1.2 幾種類型半導(dǎo)體量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖[14-16](a) 橫向量子點(diǎn); (b) 縱向量子點(diǎn); (c) 雙量子點(diǎn); (d) 三量子點(diǎn)g. 1.2 Several types of semiconductor quantum dots (QD) structures[1 Transverse QDs; (b) Longitudinal QDs; (c) Double QDs; (d) Triple 點(diǎn)在自身結(jié)構(gòu)上還可分為橫向量子點(diǎn)和縱向量子點(diǎn)；從子點(diǎn)個(gè)數(shù)上又可以分為單量子點(diǎn)系統(tǒng)、雙量子點(diǎn)系統(tǒng)、，，如圖 1.2 所示[14-16]。的制備和操控，由于實(shí)驗(yàn)技術(shù)及微加工技術(shù)的不斷提高，單量子點(diǎn)以實(shí)驗(yàn)室中制備。半導(dǎo)體量子點(diǎn)的一種制造方法是基于半電極接觸工藝。這種方法容易控制量子點(diǎn)的形成，可對(duì)調(diào)節(jié)電極上的偏壓以及柵極電壓，可以很容易地調(diào)節(jié)量子量子點(diǎn)間耦合強(qiáng)度、庫侖相互作用大小等。這種方法便
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：O471.1;TH744.3

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本文編號(hào)：2648427