几种典型量子波导的电子输运性质

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在本论文工作中,我们利用Landauer-Büttiker公式和传递矩阵方法从理论上研究了几种典型的量子波导结构中的电子输运性质。这些量子波导包括:T型的量子波导、中间有磁性障碍物的量子线和两种不同边界的二维石墨纳米条带。我们的主要研究结果如下:首先,我们利用时间反演对称性和几率流守恒原理对量子波导中电子散射矩阵的性质进行了分析,发现了其转置不变性的特点。在此基础上进一步证明了电子隧穿几率的反演不变性。经过推导我们得到了量子波导中传递矩阵和散射矩阵之间的一般性关系。根据这些结果,我们不但可以建立起适合于量子波导结构的逻辑严密的Landauer-Büttiker公式,而且给出了由此计算电子输运性质的实用方法。其次,我们利用传递矩阵方法研究了存在磁性障碍物的量子线中的电子输运性质。我们发现相反自旋的电子被该磁性势散射会呈现出不同的输运特性。在低的电子入射能量区域,由于上下自旋电子的电导谱的明显不同而出现了自旋过滤窗,我们建议可由此特性设计实现自旋过滤的量子器件。随后,我们进一步研究了具有两个磁性障碍物的量子线的线性电导谱,详细讨论了电子线性电导谱和两个磁性障碍物的相对位置、尺寸以及势强度的依赖关系。然后,我们研究了在T型量子波导中的电子输运特性,对于该结构我们主要关注电子电导谱中的共振峰和反共振点(电导零点)的位置。我们先利用安德森杂质模型和格林函数方法预测了共振峰和反共振点在电导谱中的位置。结论是,当入射电子的能量和T型散射区的本征能级相一致时,电子电导谱出现共振峰;反之,当入射电子的能量同T型散射区的突出部分的本征能级相等时,电导将出现反共振的零点。我们进一步利用传递矩阵方法去验证该结论,发现由安德森模型和传递矩阵两种方法得到的关于电导谱中共振峰的结论是一致的。然而,由这两种方法所得到的反共振点的位置有所偏离。这表明安德森模型关于共振峰和反共振点的结论至少是半定量的。最后,我们关注二维石墨纳米条带的电子态和电子输运性质。根据边界的不同二维石墨纳米条带被分为Armchair和Zigzag两种类型。我们引入适当的边界条件求解这两种类型的二维石墨纳米条带的Dirac方程,得到了电子本征态的解析解和其能带结构,发现我们所得的结果和紧束缚近似下的结果定量地符合。更为重要的是我们还从石墨特殊的时间反演对称性和几率流守恒出发,将传递矩阵方法推广到二维石墨纳米条带中,这种推广的传递矩阵方法适用于各种不同几何结构的石墨量子波导,为定量研究各种石墨纳米结构的电子输运性质提供了一种新的基本的理论方法。
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