半导体量子点拓扑及运输特性的理论研究

发布时间：2020-08-29 12:01

　　量子点是一种重要的零维半导体材料,在三个空间维度上都受到强烈的限制,形成离散的能级,类似于自然界中的原子或分子,展现出许多不同于宏观体材料的物理性质,在非线性光学、医药、功能材料、自旋电子学及量子信息领域有广阔的应用前景,近年来得到人们的广泛关注和研究。本文从拓扑边缘态和输运性质两个方面对半导体量子点的物理性质进行理论研究:(1)拓扑绝缘体是一种新颖的物质状态,它在体材料内部为具有非平庸拓扑性质的绝缘体,而在表面上存在无能隙的表面态,近年来受到人们的广泛关注。这些新奇的拓扑边缘态的存在受到非平庸拓扑及时间反演对称性的保护,不会被保持时间反演对称性的扰动破坏(只要带隙不关闭),并具有各种潜在应用。这些应用都依赖于拓扑绝缘态对外部扰动不敏感这一重要性质,但近年来关于这一点的定量研究非常少。本论文定量研究了半导体量子点中最常见的扰动-电场-对拓扑绝缘态的影响,定量证明拓扑绝缘体边缘态比传统量子点中的量子受限态更不容易受到外电场扰动的影响,从而建立了拓扑绝缘体量子点相比其它量子点在应用上的优势。我们还进一步研究了由磁掺杂驱动的拓扑绝缘体量子点向量子反常霍尔绝缘体量子点的转变,发现拓扑相是突变的,但体态向边缘态的转变是缓变的。在相变点附近,边缘态的局域化很差,远离相变点(增大反常带隙)可以使边缘态更加局域化,更好地抑制背散射,从而有利于边缘态的各类应用。(2)量子点独特的输运性质是量子点的许多应用的物理基础。通过量子点的移动来实现电子输运,即量子点shuttle,是量子点输运研究的重要方向之一,近年受到广泛关注。然而量子点shuttle中相互作用电子的局域化还没有被系统研究过,特别是有相互作用的电子局域化的解析条件还不清楚。我们推导了三量子点和量子点shuttle中两电子局域化的解析条件,发现库仑相互作用会增加动力学局域化,而量子点shuttle的机械振动会显著影响局域化。该结论可以用于纳机电系统中控制电子的输运和动力学。本论文的相关研究涉及半导体的能带、半导体纳米结构的电子态的概念,因此本论文首先简要介绍紧束缚模型(它能形像地给出能带的形成)和有效质量理论(描述半导体纳米结构电子态的常用工具)这两个重要工具,接着介绍拓扑绝缘体及半导体量子点的基本概念,以及我们对拓扑绝缘体量子点中的拓扑边缘态对电场的响应的研究,然后介绍交流场驱动下三量子点和量子点shuttle的动力学局域化的研究,最后是总结和展望。本文共分五章,具体内容如下:第一章为引言,简述了能带理论和拓扑绝缘体的研究背景及其进展。第二章是拓扑绝缘体边缘态对全局电场的响应及其鲁棒性。边缘态的存在是拓扑绝缘体的非平庸拓扑的重要表现形式,也是拓扑绝缘体应用的重要方面。我们首次定量研究了HgTe量子点的拓扑边缘态对外加面内电场的定量响应,量化了拓扑边缘态对全局电场的鲁棒性,并通过数值计算证明拓扑边缘态比传统的体态更加具有鲁棒性。第三章主要是研究反常量子霍尔绝缘体的量子点中的电子态。第四章利用Floquet理论研究了交流场驱动下三量子点和量子点shuttle的动力学局域化,其中三量子点中两电子的局域化会受到库仑相互作用的影响,库仑相互作用的引进会增加动力学局域化,以及量子点shuttle的局域化受机械振动的影响,并推导出了解析条件。第五章是对前面工作的总结以及之后工作的展望。
【学位单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O471.1
【部分图文】：

示意图,原胞,轨道,示意图

＇逦图１．５：每个原胞有一个原子的轨道示意图逡逑１．２．０．３理想晶体的有效质量近似逡逑晶体哈密顿量l#＝沪／（２ｍ0；）邋＋邋＼／（ｒ），其中ｍ0邋＝邋０．９１邋ｘ邋１０＿３Ｇｋｇ是自由电子逡逑质量。晶格势遵循Ｖ＞邋＋邋Ｒ）邋＝邋Ｖ（ｒ），其中Ｒ是任意布拉伐格矢。片。的本征能和逡逑本征态是五？（ｋ）和办＾（ｒ）邋（Ｂｌｏｃｈ态）。其中ｋ取第一布里渊区，有多少个原胞就逡逑取多少个值ＴＶ，邋ｎ是标记一个原胞里有多少个态，是轨道的指标，有几个轨道逡逑就是几，有自旋则包含自旋（Ｘ２）。这里ｋ＝；＾．ｇ，ｇ为整数，从－ｆ到ｆ。若为逡逑一维，则兰），若为二维，则逡逑比如，如果我们有ｉｖ个原胞，每个原胞内只有一个原子，每个原子有ｉｗ■个轨逡逑道，则有ｉＶ．Ｍ个量子态。又如，如果我们有ｉＶ个原胞，每个原胞有八５两个原逡逑子，其中Ａ原子有Ｍ＿４个轨道，５原子有Ｍｓ个轨道，则总共有ｉＶ邋？丨Ｍ＿４邋＋个逡逑量子态。通过Ｂｌｏｃｈ定理，我们有分？ｋ（ｒ邋＋邋Ｒ）邋＝邋ｅｌｋ＇Ｒ？／）？ｋ（ｒ），所以Ｕｒ）可以写逡逑＝ｌｋＴ＝

示意图,原胞,轨道,示意图

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约束法,自组织生长,化学溶液,量子点

图１．７：制备量子点方法：（ａ）电场约束法；（ｂ）自组织生长法；（ｃ）化学溶液生长逡逑法。逡逑（１）量子尺寸效应，即量子点的尺寸很小时，电子能级会变成离散能级。量逡逑子点中的电子会在这些量子化能级上占据。（２）库仑阻塞效应量子点的电容（７很逡逑小，因此在量子点中增加一个电子，电荷能埯＝邋ｅ２／Ｃ会比该电子热运动的动逡逑能大。这样一个大的电荷能会阻止电子的增加甚至移走一个电子，这就是库仑逡逑阻塞效应。（３）近藤效应掺杂磁性杂质的金属在温度足够低时，没有配对的局域逡逑化电子跟在费米能附近的巡游电子产生相互作用，形成了一个自旋单态，电阻逡逑率则有了一个极小值。发生近藤效应的温度称之为近藤温度。而在量子点中，逡逑当量子点的电子数ＴＶ是奇数，量子点会有局域磁矩。当温度降低直到接近近藤逡逑温度，量子点中未配对的电子跟电极中的电子态发生杂化，导致定域态密度会逡逑在￡邋＝逦处出现尖峰［２４，邋２５，邋５８］。逡逑１．４拓扑绝缘体逡逑

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