电子的谷自由度.ppt

电子的第三自由度 电子的谷自由度 赝自旋 报告人 纪昊亮 电荷自由度 传统半导体微电子学 自旋自由度 谷自由度 自旋电子学 前言 人们通过调控电子的自由度实现信息的存储和传输 新兴的谷电子学 2 3 谷自由度 谷 固体材料中能带结构的极值点 着重分析导带的极小值点利用谷自由度就是打开谷的简并与电子的自旋自由度类似 谷自由度可称为赝自旋 单层石墨烯由二维六方格子构成 布里渊区费米面上有两个不等价的Dirac点 K1和K2 电子占据K1和K2谷的几率相等 如何将不同谷自由度的电子分开从而得到谷极化电流是石墨烯谷电子学的首要问题 4 在传统硅晶体管中 谷是个麻烦的东西 因为它降低了电子在没有散射情况 能量耗散 下的运行速度 类似的 在有关基于量子信息的器件方面的研究中 谷被认为是退相干的来源 导致了信息量子部分丢失 同时还能阻碍量子比特 量子力学中类似比特的单位 对存储信息的维护 借鉴自旋电子学中对电子自旋自由度的研究思路 可以利用谷自由度作为信息载体 调控谷自由度设计并实现相关功能器件即谷电子学与传统电子元件相比 利用电子的谷自由度进行信息处理 具有信息不易丢失 处理速度快 能耗小 集成度高 传输距离远优点 谷自由度 5 谷电子材料分类 1 硅 金刚石和半金属元素铋体相的布里渊区价带低是由电子占据的椭球形的简并的谷组成 平移对称性破坏或者外加磁场都可以打破谷的简并 由于面内和面外的电子有效质量各向异性 从而产生不用速度的谷电流 2 石墨烯 硅烯为代表的二维单原子层与金刚石 硅等材料利用谷点不同方向的有效质量产生极化电流的方式不同 维度的降低是二维层状材料出现新的物理现象 产生谷电流的方式也更加丰富3 过渡金属硫化物单层其单层结构是直接带隙半导体 直接带间跃迁使得每个谷点上获得额外的轨道磁距 动量守恒使得价带和导带之间的跃迁符合选择定则 在旋光的激发下 可以获得非平衡状态下极化的谷电流 通过对布里渊区能够附近布洛赫电子磁距的计算得知 每个谷携带着大小相等 方向相反的轨道磁距 其大小是自由电子磁距的30倍 与电子自旋受外磁场调控类似 谷的轨道磁距也可以利用外磁场来操纵 谷自由度可有轨道磁化强度的信号来探测 这样谷自由度与实验可测量物理量轨道磁距联系起来了 6 电子有效质量 准经典模型 外电磁场用经典处理 晶格周期场用能带论量子力学处理 下电子的速度 电子加速度 Fext代表作用在电子上的外电 磁场力 有效质量概括了晶格内部周期场的作用 可以简单的由外场力决定电子的加速度 7 TMDC谷自由度调控 光学跃迁选择定则 MoS 直接带隙半导体 能隙1 86eV 位于可见波段波矢群为C h 必须在三重旋转操作C 和镜面操作 h下保持不变 两个不变对称操作可将Mo原子的d轨道分成三组 价带顶和导带底主要是由 分别贡献 8 价带顶到导带底的直接带间跃迁矩阵 成立的条件是等号右边的系数为1 因此只有左旋光才能激发出对应于该谷的电流 TMDC谷自由度调控 光学跃迁选择定则 自旋轨道耦合会使价带发生劈裂 由于对称性 劈裂后的能带分成自旋向上和自旋向下 而时间反演对称性决定了不同谷中的劈裂必然相反 9 半导体中的激子 吸收了一个光子后 一个电子从价带被激发到导带 并在价带上留下一个空穴 电子和空穴形成的束缚态被称作激子 它是一个类氢系统 激子作为一个整体在晶体运动 激子不能存在于平衡条件下 具有一定的寿命 然后就会复合 激子可以捕获一个电子或一个空穴 被称为trion 带电激子 除了低能激子 Aexcitons 还有一种高能量的谷激子结构 Bexciton 空穴子价带自旋劈裂的高能带上 但B激子的寿命很短 它会很快的通过无辐射通道变为低能的A激子结构 10 TMDC谷自由度调控 光学跃迁选择定则 轨道自旋耦合对于劈裂的导带有效质量的影响使得MoX2的导带发生了反转 11 TMDC谷自由度调控 光学跃迁选择定则 12 自旋霍尔电流 能量为Wd的旋光可以激发K1谷产生自旋向下的电子和自旋向上的空穴对 足够强的面内电场可以拆散电子和空穴对 使得电子和空穴聚集在样品的相反边界 可获得K1谷的自旋霍尔电流 13 实例 科学家首次实现电子谷自由度的电学调控 Electricalgenerationandcontrolofthevalleycarriersinamonolayertransitionmetaldichalcogenide 2016 利用磁性半导体 Ga Mn As作为铁磁电极实现了对单层TMDC的高效自旋注入 在该异质结构中 控制 Ga Mn As薄膜的磁化方向 便可以调节注入自旋的极化方向 从而在不同的能谷中产生极化的载流子 谷极化度可以通过电致发光的自旋极化度进行检测加载正向偏压后 Ga Mn As将空穴注入到WS 中 电子浓度主要来源于WS 中的S空位 在满足光学跃迁选择定则的情况下即发射光子 WS 大的价带劈裂抑制了B激子的形成 14 自旋注入 铁磁金属 F 中的电流是自旋极化的 非磁性金属中的电流不是自旋极化的 当铁磁金属和非铁磁金属形成界面接触的时候 穿过F N界面的电流是自旋极化的 电场E