可调的自旋轨道耦合效应的研究
发布时间：2022-02-15 18:40
随着信息科学的不断发展,人们对电子器件的要求也向着集成化、小型化方向发展,但原始的电子器件只利用到了电子的电荷属性,这使得这种器件在发展过程中的发热和能耗问题越来越严重,从而摩尔定律似乎已经接近其有效性的极限了。但寻求进一步提高电子设备计算能力的研究热情却一直没有中断过,在这期间一门集成了磁学、电子学和信息学等多种领域的学科即自旋电子学逐渐出现的人们的视野中且受到的关注越来越多。在自旋电子学中自旋轨道耦合效应又是其一个非常重要的物理特性,所以对自旋轨道耦合效应的研究是自旋电子学中的重点。在本文中对自旋轨道耦合效应的研究主要分为两个方面,一个是铁电体GeTe,而另一个则是金属铂。我们知道近年来有一种叫做铁电Rashba半导体的材料体系受到了人们的关注,而GeTe又是这种材料体系中的一种代表材料,所以对GeTe材料性质的研究得到的结论在一定程度上可以代表对整个铁电Rashba半导体材料体系的认知。在本文中我们对GeTe的研究主要集中在外电场对该材料自旋轨道耦合和自旋霍尔电导的调控作用上,在研究过程中我们又主要是研究外电场、铁电极化和自旋轨道耦合效应这些物理量之间的关系。总之,我们的理论计算...
【文章来源】：电子科技大学四川省211工程院校985工程院校教育部直属院校
【文章页数】：57 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
(a)Datta-Das自旋场效应晶体管模型[10]；(b)全电学控制的自旋场效应晶体管[11]
第三章电场对GeTe中Rashba效应的调控作用25图3-1GeTe晶体结构3.3结果与讨论3.3.1能带结构与铁电性我们通过计算得到的GeTe的Kohn-Sham能带结构如图3-2所示。为了更形象的展示有自旋轨道耦合和没有自旋轨道耦合的能带的区别，我们把两者放在了一张图中进行比较，图中蓝色虚线表示没有自旋轨道耦合的能带图，绿色实线代表有自旋轨道耦合的能带图。在图中我们还用垂直双箭头表示沿∧线的自旋轨道耦合状态的分裂，而插图则展示了在计算中使用的布里渊区路径和特殊k点。如图中蓝色虚线所示，在没有自旋轨道耦合的情况下，铁电畸变导致在L点附近的直接带隙约为0.66eV，该值仅比Park等人[54]报告的实验值高0.05eV，所以可以认为我们的计算参数是可靠的而且计算结果也是可信的。我们也注意到，即使是没有自旋轨道耦合的情况，但由于材料本身就具有有限的电极化，所以在图中表现为L点附近出现了驼峰。而在有自旋轨道耦合的情况下，沿Γ-L方向有约0.7eV的能带分裂，这个分裂我们在图中用黑色双箭头来标示，这个分裂表明自旋轨道耦合场在这个方向上或多或少是共线的，而且这个方向在我们使用的坐标系中也是极化的方向。如图中绿色实线所示在我们所选的k点路径中Rashba分裂好像仅分布在L点附近，并且在L点的价带顶（VBM）处最明显，由此我们可以知道GeTe材料中自旋轨道耦合的贡献主要集中在价带上，这是因为价带的贡献主要来自于Te原子的5p轨道，而导带的贡献则来自于Ge原子的2p轨道。这与对共振键的简
第三章电场对GeTe中Rashba效应的调控作用26单解释形成对比，因为Te原子5p轨道的能量远高于Ge原子的2p轨道。所谓的“跨带杂化”理论[55,56]被用来描述离子化合物中的这种现象，这种异常现象与增强的Born有效电荷有关，而Born有效电荷反过来又改善了畸变键合。图3-2GeTe的Kohn-Sham能带结构图考虑了自旋的自旋分量能带结构如图3-3所示。图中所展示的反向极化，即+P和-P的能带色散是相同的，这可以理解为铁电位移和z方向上的自旋在两种不同的极化状态下方向都是相同的。如果忽略自旋轨道耦合的作用，则自旋极化与晶体坐标无关，所以在这种情况下自旋在极化反转时是不变的。如图3-3（a）和（c）所示，在L点附近当k点路径沿L-U方向时，x和y方向上的自旋矢量具有不同的贡献，当极化从+P反转到-P时，这种贡献是相反的，所以由于自旋轨道耦合的作用，自旋矢量的缠绕方向在k空间中也是相反的，就如之前就有的工作所提出的那样[36]。我们注意到就像前面提到过的共线自旋轨道耦合场一样，沿Γ-L方向上没有x或y分量的贡献，而这将导致能带沿着这个方向几乎刚性地移动。同时，我们在图3-3（b）和（d）中绘制了自旋的z分量，从这两幅图中可以看出不同的极化会改变投影权重。自旋缠绕方向的变化可以理解为：在实际空间中，极化反转等效于坐标系的z分量的变化，在这种情况下，随着从z轴到-z轴的改变，x-y轴也从右手轴更改为左手轴。这种现象在铁电材料中是普遍存在的，因为一旦极化反转仅通过原子位置的相对移动来实现，这种现象就与坐标系的变化有关。
本文编号：3627125
【文章来源】：电子科技大学四川省211工程院校985工程院校教育部直属院校
【文章页数】：57 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
(a)Datta-Das自旋场效应晶体管模型[10]；(b)全电学控制的自旋场效应晶体管[11]
第三章电场对GeTe中Rashba效应的调控作用25图3-1GeTe晶体结构3.3结果与讨论3.3.1能带结构与铁电性我们通过计算得到的GeTe的Kohn-Sham能带结构如图3-2所示。为了更形象的展示有自旋轨道耦合和没有自旋轨道耦合的能带的区别，我们把两者放在了一张图中进行比较，图中蓝色虚线表示没有自旋轨道耦合的能带图，绿色实线代表有自旋轨道耦合的能带图。在图中我们还用垂直双箭头表示沿∧线的自旋轨道耦合状态的分裂，而插图则展示了在计算中使用的布里渊区路径和特殊k点。如图中蓝色虚线所示，在没有自旋轨道耦合的情况下，铁电畸变导致在L点附近的直接带隙约为0.66eV，该值仅比Park等人[54]报告的实验值高0.05eV，所以可以认为我们的计算参数是可靠的而且计算结果也是可信的。我们也注意到，即使是没有自旋轨道耦合的情况，但由于材料本身就具有有限的电极化，所以在图中表现为L点附近出现了驼峰。而在有自旋轨道耦合的情况下，沿Γ-L方向有约0.7eV的能带分裂，这个分裂我们在图中用黑色双箭头来标示，这个分裂表明自旋轨道耦合场在这个方向上或多或少是共线的，而且这个方向在我们使用的坐标系中也是极化的方向。如图中绿色实线所示在我们所选的k点路径中Rashba分裂好像仅分布在L点附近，并且在L点的价带顶（VBM）处最明显，由此我们可以知道GeTe材料中自旋轨道耦合的贡献主要集中在价带上，这是因为价带的贡献主要来自于Te原子的5p轨道，而导带的贡献则来自于Ge原子的2p轨道。这与对共振键的简
第三章电场对GeTe中Rashba效应的调控作用26单解释形成对比，因为Te原子5p轨道的能量远高于Ge原子的2p轨道。所谓的“跨带杂化”理论[55,56]被用来描述离子化合物中的这种现象，这种异常现象与增强的Born有效电荷有关，而Born有效电荷反过来又改善了畸变键合。图3-2GeTe的Kohn-Sham能带结构图考虑了自旋的自旋分量能带结构如图3-3所示。图中所展示的反向极化，即+P和-P的能带色散是相同的，这可以理解为铁电位移和z方向上的自旋在两种不同的极化状态下方向都是相同的。如果忽略自旋轨道耦合的作用，则自旋极化与晶体坐标无关，所以在这种情况下自旋在极化反转时是不变的。如图3-3（a）和（c）所示，在L点附近当k点路径沿L-U方向时，x和y方向上的自旋矢量具有不同的贡献，当极化从+P反转到-P时，这种贡献是相反的，所以由于自旋轨道耦合的作用，自旋矢量的缠绕方向在k空间中也是相反的，就如之前就有的工作所提出的那样[36]。我们注意到就像前面提到过的共线自旋轨道耦合场一样，沿Γ-L方向上没有x或y分量的贡献，而这将导致能带沿着这个方向几乎刚性地移动。同时，我们在图3-3（b）和（d）中绘制了自旋的z分量，从这两幅图中可以看出不同的极化会改变投影权重。自旋缠绕方向的变化可以理解为：在实际空间中，极化反转等效于坐标系的z分量的变化，在这种情况下，随着从z轴到-z轴的改变，x-y轴也从右手轴更改为左手轴。这种现象在铁电材料中是普遍存在的，因为一旦极化反转仅通过原子位置的相对移动来实现，这种现象就与坐标系的变化有关。
本文编号：3627125
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