耦合多量子点干涉仪系统电输运理论研究

发布时间：2020-05-04 10:49

【摘要】：如何调控半导体量子点系统电输运一直是电子科技领域中具有广阔应用前景的研究课题。半导体量子点通常在单电子静电计、静态存储器元件、量子信息科学、量子计算等方面得以应用。与单量子点系统相比,耦合多量子点系统具有更多可调参数,可以更加容易地控制系统电荷输运、自旋极化输运和热电输运等。耦合多量子点可被用作集成量子芯片的基础电子元器件,而耦合多量子点系统电输运和热电转换的研究,则为设计与制备新型量子功能器件提供必要的理论支撑。本文利用Keldysh非平衡格林函数建立Dyson方程的方法,结合Langreth定理对几种不同构型的耦合多量子点干涉仪系统电荷输运、光子辅助电输运、自旋输运及热电输运进行理论研究。首先,在平行双量子点干涉仪结构基础上侧向悬挂一个量子点,设计成非对称三量子点干涉仪光子辅助电输运模型。通过调节量子点间耦合强度、含时外场的振幅和频率可以控制系统的平均电流峰值的大小和位置,实现介观器件的整流功能。对含时外场振幅的调控可实现系统平均电流峰与谷之间的转换。调节量子点-电极之间耦合强度的非对称性参数,能够使平均电流主峰与旁带峰更加易于区分,有助于确定系统能级的分立。其次,为使介观量子器件中的自旋极化电流得到更加有效地控制,设计了在Aharonov-Bhom干涉仪两臂中分别嵌入“T-型三量子点分子”模型,研究了该量子器件中光子辅助电荷及自旋输运特性。当有横向磁通穿过系统时,可观察到平均电流的Aharonov-Bhom效应。通过调节Rashba自旋-轨道耦合强度,可以在整个量子点能级区域内实现纯自旋向上(向下)的极化传输。在对称含时外场作用中,通过调节直流偏压、磁通和Rashba自旋-轨道耦合相位因子,自旋极化的大小和方向都可以有效地控制。在系统中施加时间调制的非对称外场能够实现多光子-电子泵功能。再次,设计并研究了“线型双量子点分子”Aharonov-Bohm干涉仪光子辅助电输运和“线型三量子点分子”Aharonov-Bohm干涉仪电输运。在“线型双量子点分子”Aharonov-Bohm干涉仪的研究中,调节量子点间耦合强度或磁通可以诱导电导共振峰发生劈裂。控制横向磁通的有无,可实现电导共振峰数值在0与1之间的相互转换,这为制造量子开关提供了一个新的物理解决方案。借助磁通和Rashba自旋-轨道相互作用,该系统可实现自旋过滤。对于“线型三量子点分子”Aharonov-Bohm干涉仪,当两个“线型三量子点分子”内点间耦合强度的数值差较小时,在电导谱中可以观察到Fano反共振峰。通过调节系统结构参数,可同时形成两个束缚态。随着磁通量相位因子在)0(-π范围内的增加,系统电导反共振点逐渐演变成反共振带。研究结果为“线型耦合多量子点分子链”嵌入Aharonov-Bohm干涉仪系统电输运的进一步研究提供了新的认知。最后,为提升介观量子器件的热电转换性能,在平行耦合双量子点基础上对称侧向悬挂单量子点。由于对称侧向悬挂量子点的耦合作用,在低温条件下电导谱和热导谱均产生了双Fano共振,这在很大程度上增强了系统热电转换性能。由于局域双极化效应与Fano效应的共同作用,该系统比平行耦合双量子点系统的热电优值提高一倍,基于此该系统可用于设计高效热电转换的量子器件。在相对高温条件下,通过调整量子点-电极耦合强度和量子点能级,可以实现系统热电优值的优化。总之,本文设计并研究了几种典型耦合多量子点干涉仪的电子输运、光子辅助电输运、自旋极化输运和热电输运。阐明了系统结构参数的调节可实现对电导、平均电流、自旋极化电流和热电参量的有效控制。这些典型耦合多量子点干涉仪系统对于实验来说结构并不复杂,对欧姆接触电极进行设计之后便可在实验中实现。本文的结论期望有助于自旋量子器件和热电转换量子器件的设计与研发。
【图文】：

半导体量子点,异质结构,横向,器件

另一个特征是类似于原子电离能的充电能点移除单个电子所需的能量。由于半导体现出强库仑相互作用。只有向半导体量子体量子点与系统其它部分之间的总电容）效电子温度 kTΒ小于系统费米能级Fε 时，入半导体量子点系统。在相对低温条件下子。于是此时半导体量子点内部的电子数理性质上类似真实原子，单个半导体量子半导体量子点的类原子物理特性研究不是测量它们的电子传输特性，即通过半导体体量子点具有点接触引线探测电流、电压及原子物理属性，如图 1.1 所示[13]。微波场

结构图,半导体量子点,类型,结构图

图 1.2 几种类型半导体量子点结构图[14-16](a) 横向量子点; (b) 纵向量子点; (c) 双量子点; (d) 三量子点g. 1.2 Several types of semiconductor quantum dots (QD) structures[1 Transverse QDs; (b) Longitudinal QDs; (c) Double QDs; (d) Triple 点在自身结构上还可分为横向量子点和纵向量子点；从子点个数上又可以分为单量子点系统、双量子点系统、，，如图 1.2 所示[14-16]。的制备和操控，由于实验技术及微加工技术的不断提高，单量子点以实验室中制备。半导体量子点的一种制造方法是基于半电极接触工艺。这种方法容易控制量子点的形成，可对调节电极上的偏压以及栅极电压，可以很容易地调节量子量子点间耦合强度、库仑相互作用大小等。这种方法便
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O471.1;TH744.3

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