可調(diào)的自旋軌道耦合效應的研究
發(fā)布時間：2022-02-15 18:40
隨著信息科學的不斷發(fā)展,人們對電子器件的要求也向著集成化、小型化方向發(fā)展,但原始的電子器件只利用到了電子的電荷屬性,這使得這種器件在發(fā)展過程中的發(fā)熱和能耗問題越來越嚴重,從而摩爾定律似乎已經(jīng)接近其有效性的極限了。但尋求進一步提高電子設備計算能力的研究熱情卻一直沒有中斷過,在這期間一門集成了磁學、電子學和信息學等多種領域的學科即自旋電子學逐漸出現(xiàn)的人們的視野中且受到的關注越來越多。在自旋電子學中自旋軌道耦合效應又是其一個非常重要的物理特性,所以對自旋軌道耦合效應的研究是自旋電子學中的重點。在本文中對自旋軌道耦合效應的研究主要分為兩個方面,一個是鐵電體GeTe,而另一個則是金屬鉑。我們知道近年來有一種叫做鐵電Rashba半導體的材料體系受到了人們的關注,而GeTe又是這種材料體系中的一種代表材料,所以對GeTe材料性質(zhì)的研究得到的結論在一定程度上可以代表對整個鐵電Rashba半導體材料體系的認知。在本文中我們對GeTe的研究主要集中在外電場對該材料自旋軌道耦合和自旋霍爾電導的調(diào)控作用上,在研究過程中我們又主要是研究外電場、鐵電極化和自旋軌道耦合效應這些物理量之間的關系�？傊�,我們的理論計算...
【文章來源】：電子科技大學四川省211工程院校985工程院校教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：57 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
(a)Datta-Das自旋場效應晶體管模型[10]；(b)全電學控制的自旋場效應晶體管[11]
第三章電場對GeTe中Rashba效應的調(diào)控作用25圖3-1GeTe晶體結構3.3結果與討論3.3.1能帶結構與鐵電性我們通過計算得到的GeTe的Kohn-Sham能帶結構如圖3-2所示。為了更形象的展示有自旋軌道耦合和沒有自旋軌道耦合的能帶的區(qū)別，我們把兩者放在了一張圖中進行比較，圖中藍色虛線表示沒有自旋軌道耦合的能帶圖，綠色實線代表有自旋軌道耦合的能帶圖。在圖中我們還用垂直雙箭頭表示沿∧線的自旋軌道耦合狀態(tài)的分裂，而插圖則展示了在計算中使用的布里淵區(qū)路徑和特殊k點。如圖中藍色虛線所示，在沒有自旋軌道耦合的情況下，鐵電畸變導致在L點附近的直接帶隙約為0.66eV，該值僅比Park等人[54]報告的實驗值高0.05eV，所以可以認為我們的計算參數(shù)是可靠的而且計算結果也是可信的。我們也注意到，即使是沒有自旋軌道耦合的情況，但由于材料本身就具有有限的電極化，所以在圖中表現(xiàn)為L點附近出現(xiàn)了駝峰。而在有自旋軌道耦合的情況下，沿Γ-L方向有約0.7eV的能帶分裂，這個分裂我們在圖中用黑色雙箭頭來標示，這個分裂表明自旋軌道耦合場在這個方向上或多或少是共線的，而且這個方向在我們使用的坐標系中也是極化的方向。如圖中綠色實線所示在我們所選的k點路徑中Rashba分裂好像僅分布在L點附近，并且在L點的價帶頂（VBM）處最明顯，由此我們可以知道GeTe材料中自旋軌道耦合的貢獻主要集中在價帶上，這是因為價帶的貢獻主要來自于Te原子的5p軌道，而導帶的貢獻則來自于Ge原子的2p軌道。這與對共振鍵的簡
第三章電場對GeTe中Rashba效應的調(diào)控作用26單解釋形成對比，因為Te原子5p軌道的能量遠高于Ge原子的2p軌道。所謂的“跨帶雜化”理論[55,56]被用來描述離子化合物中的這種現(xiàn)象，這種異�，F(xiàn)象與增強的Born有效電荷有關，而Born有效電荷反過來又改善了畸變鍵合。圖3-2GeTe的Kohn-Sham能帶結構圖考慮了自旋的自旋分量能帶結構如圖3-3所示。圖中所展示的反向極化，即+P和-P的能帶色散是相同的，這可以理解為鐵電位移和z方向上的自旋在兩種不同的極化狀態(tài)下方向都是相同的。如果忽略自旋軌道耦合的作用，則自旋極化與晶體坐標無關，所以在這種情況下自旋在極化反轉(zhuǎn)時是不變的。如圖3-3（a）和（c）所示，在L點附近當k點路徑沿L-U方向時，x和y方向上的自旋矢量具有不同的貢獻，當極化從+P反轉(zhuǎn)到-P時，這種貢獻是相反的，所以由于自旋軌道耦合的作用，自旋矢量的纏繞方向在k空間中也是相反的，就如之前就有的工作所提出的那樣[36]。我們注意到就像前面提到過的共線自旋軌道耦合場一樣，沿Γ-L方向上沒有x或y分量的貢獻，而這將導致能帶沿著這個方向幾乎剛性地移動。同時，我們在圖3-3（b）和（d）中繪制了自旋的z分量，從這兩幅圖中可以看出不同的極化會改變投影權重。自旋纏繞方向的變化可以理解為：在實際空間中，極化反轉(zhuǎn)等效于坐標系的z分量的變化，在這種情況下，隨著從z軸到-z軸的改變，x-y軸也從右手軸更改為左手軸。這種現(xiàn)象在鐵電材料中是普遍存在的，因為一旦極化反轉(zhuǎn)僅通過原子位置的相對移動來實現(xiàn)，這種現(xiàn)象就與坐標系的變化有關。
本文編號：3627125
【文章來源】：電子科技大學四川省211工程院校985工程院校教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：57 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
(a)Datta-Das自旋場效應晶體管模型[10]；(b)全電學控制的自旋場效應晶體管[11]
第三章電場對GeTe中Rashba效應的調(diào)控作用25圖3-1GeTe晶體結構3.3結果與討論3.3.1能帶結構與鐵電性我們通過計算得到的GeTe的Kohn-Sham能帶結構如圖3-2所示。為了更形象的展示有自旋軌道耦合和沒有自旋軌道耦合的能帶的區(qū)別，我們把兩者放在了一張圖中進行比較，圖中藍色虛線表示沒有自旋軌道耦合的能帶圖，綠色實線代表有自旋軌道耦合的能帶圖。在圖中我們還用垂直雙箭頭表示沿∧線的自旋軌道耦合狀態(tài)的分裂，而插圖則展示了在計算中使用的布里淵區(qū)路徑和特殊k點。如圖中藍色虛線所示，在沒有自旋軌道耦合的情況下，鐵電畸變導致在L點附近的直接帶隙約為0.66eV，該值僅比Park等人[54]報告的實驗值高0.05eV，所以可以認為我們的計算參數(shù)是可靠的而且計算結果也是可信的。我們也注意到，即使是沒有自旋軌道耦合的情況，但由于材料本身就具有有限的電極化，所以在圖中表現(xiàn)為L點附近出現(xiàn)了駝峰。而在有自旋軌道耦合的情況下，沿Γ-L方向有約0.7eV的能帶分裂，這個分裂我們在圖中用黑色雙箭頭來標示，這個分裂表明自旋軌道耦合場在這個方向上或多或少是共線的，而且這個方向在我們使用的坐標系中也是極化的方向。如圖中綠色實線所示在我們所選的k點路徑中Rashba分裂好像僅分布在L點附近，并且在L點的價帶頂（VBM）處最明顯，由此我們可以知道GeTe材料中自旋軌道耦合的貢獻主要集中在價帶上，這是因為價帶的貢獻主要來自于Te原子的5p軌道，而導帶的貢獻則來自于Ge原子的2p軌道。這與對共振鍵的簡
第三章電場對GeTe中Rashba效應的調(diào)控作用26單解釋形成對比，因為Te原子5p軌道的能量遠高于Ge原子的2p軌道。所謂的“跨帶雜化”理論[55,56]被用來描述離子化合物中的這種現(xiàn)象，這種異�，F(xiàn)象與增強的Born有效電荷有關，而Born有效電荷反過來又改善了畸變鍵合。圖3-2GeTe的Kohn-Sham能帶結構圖考慮了自旋的自旋分量能帶結構如圖3-3所示。圖中所展示的反向極化，即+P和-P的能帶色散是相同的，這可以理解為鐵電位移和z方向上的自旋在兩種不同的極化狀態(tài)下方向都是相同的。如果忽略自旋軌道耦合的作用，則自旋極化與晶體坐標無關，所以在這種情況下自旋在極化反轉(zhuǎn)時是不變的。如圖3-3（a）和（c）所示，在L點附近當k點路徑沿L-U方向時，x和y方向上的自旋矢量具有不同的貢獻，當極化從+P反轉(zhuǎn)到-P時，這種貢獻是相反的，所以由于自旋軌道耦合的作用，自旋矢量的纏繞方向在k空間中也是相反的，就如之前就有的工作所提出的那樣[36]。我們注意到就像前面提到過的共線自旋軌道耦合場一樣，沿Γ-L方向上沒有x或y分量的貢獻，而這將導致能帶沿著這個方向幾乎剛性地移動。同時，我們在圖3-3（b）和（d）中繪制了自旋的z分量，從這兩幅圖中可以看出不同的極化會改變投影權重。自旋纏繞方向的變化可以理解為：在實際空間中，極化反轉(zhuǎn)等效于坐標系的z分量的變化，在這種情況下，隨著從z軸到-z軸的改變，x-y軸也從右手軸更改為左手軸。這種現(xiàn)象在鐵電材料中是普遍存在的，因為一旦極化反轉(zhuǎn)僅通過原子位置的相對移動來實現(xiàn)，這種現(xiàn)象就與坐標系的變化有關。
本文編號：3627125
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