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物理学报 2015年第18期64卷 82-102页

作者：陈晓彬段文晖清华大学物理系北京100084

低维材料不断涌现的新奇性质吸引着科学研究者的目光.除了电子的量子输运行为之外,人们也陆续发现和确认了热输运中显著的量子行为,如热导低温量子化、声子子带、尺寸效应、瓶颈效应等.这些小尺度体系的热输运性质可以很好地用非平衡格... 详细信息

低维材料不断涌现的新奇性质吸引着科学研究者的目光.除了电子的量子输运行为之外,人们也陆续发现和确认了热输运中显著的量子行为,如热导低温量子化、声子子带、尺寸效应、瓶颈效应等.这些小尺度体系的热输运性质可以很好地用非平衡格林函数来描述.本文首先介绍了量子热输运的特性、声子非平衡格林函数方法及其在低维纳米材料中的研究进展;其次回顾了近年来在一系列低维材料中发现的热-自旋输运现象.这些自旋热学现象展现了全新的热电转换机制,有助于设计新型的热电转换器件,同时也给出了用热产生自旋流的新途径;最后介绍了线性响应理论以及在此理论框架下结合声子、电子非平衡格林函数方法进行的一些有益的探索.量子热输运的研究对热效应基础研究以及声子学器件、能量转换器件的发展有着不可替代的重要作用.

关键词：量子热输运自旋热学自旋热电非平衡格林函数

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非平衡格林函数理论及应用

非平衡格林函数理论及应用

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作者：朱国宝中国科学院研究生院

学位级别：博士

本论文的研究工作是利用非平衡格林函数方法研究凝聚态物理中的一些理论问题，包括无序系统的轨道磁矩、拓扑绝缘体表面模型的热输运以及石墨烯的自旋输运和光性质。\n 通过求解磁场修正的Dyson方程，我们得到格林函数对磁场的线性... 详细信息

本论文的研究工作是利用非平衡格林函数方法研究凝聚态物理中的一些理论问题，包括无序系统的轨道磁矩、拓扑绝缘体表面模型的热输运以及石墨烯的自旋输运和光性质。\n 通过求解磁场修正的Dyson方程，我们得到格林函数对磁场的线性项。进而我们可以用推迟格林函数表示系统的态密度，用小于格林函数表示轨道磁矩。我们获得了可更一般的轨道磁矩的表达式。对于纯净系统，我们的公式与微扰理论和半经典理论的结果一致。作为一个应用，我们研究了存在Rashba自旋轨道偶的二维无序电子气系统的轨道磁矩。我们发现短程杂质的作用只是平移轨道磁矩相对费米能的分布。\n 通过求解温度梯度修正的Dyson方程，我们得到格林函数对温度梯度的线性项。我们首先推荐了能流密度算符的一个表达式，然后用小于格林函数给出了热电导的一般表达式。这个表达式适用于无序系统。当考虑纯净系统时，用解析延拓公式得到了热电导在能量本征态表象下的表达式，它与现有的理论结果一致。作为一个例子，我们研究了无序对拓扑绝缘体表面模型的影响。我们给出了弱杂质时，热电导关于费米能的解析表达式。\n 通过求解电场修正的Dyson方程，我们得到格林函数对电场的线性项。然后我们可以得到自旋Hall电导和自旋Nerst电导的一般表达式。当内禀自旋轨道耦合和Rashba自旋轨道耦合都存在时，它们的相互影响导致了石墨烯的自旋Hall电导和自旋Nerst电导随费米能变化的一些奇异性质。进一步我们给出了三层石墨烯光电导随费米能变化的解析表达式。

关键词：非平衡格林函数 Dyson方程轨道磁矩拓扑绝缘体石墨烯自旋输运

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非平衡格林函数法在纳米量级MOS器件分析中的应用

非平衡格林函数法在纳米量级MOS器件分析中的应用

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作者：张致琛兰州大学

学位级别：硕士

在现代集成电路中，MOS器件的特征尺寸已降到100nm以下。器件的各部分作为一个相互联系的整体，某些部分的尺寸是微米量级，但某些部分的尺寸却是纳米量级，因此器件得以工作的载流子输运机制既牵涉到经典的漂移—扩散输运机制，也牵涉... 详细信息

在现代集成电路中，MOS器件的特征尺寸已降到100nm以下。器件的各部分作为一个相互联系的整体，某些部分的尺寸是微米量级，但某些部分的尺寸却是纳米量级，因此器件得以工作的载流子输运机制既牵涉到经典的漂移—扩散输运机制，也牵涉到量子隧穿、热载流子发射以及各种散射输运机制。这给器件的物理分析带来了前所未有的难度。针对纳米量级器件建立行之有效的解析理论分析模型已成为微电子学与固体电子学研究者十分关注并着力研究的重要问题。本论文针对纳米量级MOS器件，采用先进的格林函数法来处理载流子的输运问题。这种方法的特点是数学处理困难，但是可以处理复杂输运机制，如：弹道输运和散射输运。并且可以得到更为准确可靠的结果，特别适合分析线度小于30nm的器件有源区的输运特性。论文首先介绍了格林函数法的特点及其应用于分析器件中特殊问题的处理方法。然后以栅长为20nm，氧化层厚度为3—5nm的双栅MOSFET为研究对象，应用格林函数法详细分析并给出了器件的特性变化规律，然后给出了一个包含多种器件物理效应的开启电压公式。论文还描述了边界条件的处理方法和提高方程组收敛速度的方法。部分研究结果已在Chinese Physics刊物上发表。

关键词：非平衡格林函数纳米级双栅MOS 弹道输运模型 Büttiker探针散射模型开启电压

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介观混杂系统的非平衡格林函数

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福建师范大学学报（自然科学版） 2007年第2期23卷 36-39页

作者：陈志高陈水源蒋丽钦黄志高福建师范大学物理与光电信息科技学院福建福州350007

研究了正常金属——正常金属——超导体三端介观混杂系统.从系统的模型哈密顿量出发,运用运动方程方法,推导得出任意温度和任意偏压下量子点的格林函数及系统的自能.

关键词：非平衡格林函数运动方程超导体

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密度泛函理论和非平衡格林函数方法对Co基Heusler合金磁电阻结界面特征及电子自旋极化输运的研究

密度泛函理论和非平衡格林函数方法对Co基Heusler合金磁电阻结界...

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作者：李杨西南大学

学位级别：博士

基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算因其自身优势和特点,在原子分子尺度理论模拟中具有较高的可靠性和运行效率并能保持良好的精度,成为理论工作者研究微观粒子运动规律及预测宏观物理性质的有力工具。借助这个数学工具不仅能够有... 详细信息

基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算因其自身优势和特点,在原子分子尺度理论模拟中具有较高的可靠性和运行效率并能保持良好的精度,成为理论工作者研究微观粒子运动规律及预测宏观物理性质的有力工具。借助这个数学工具不仅能够有效降低研究成本,还有助于理解原子分子水平上的某些微观机理。由于描述电子传播行为的非平衡格林函数(NEGF)能够将电子散射与传播有机联系起来,且在不求解波函数的情况下可直接计算体系的输运性质,因此NEGF方法成为处理非平衡条件下电子散射及输运问题的常用手段。结合DFT与NEGF这两大数学工具可对物理学上的巨磁电阻现象开展相应理论研究。利用电子自旋属性的新型自旋电子学器件,例如各种巨磁电阻／隧穿磁电阻传感器、巨磁电阻隔离器、巨磁电阻／隧穿磁电阻硬盘读出磁头、磁电阻随机存储器以及自旋晶体管等,与仅利用了电子的电荷属性的传统微电子学器件相比,因能耗更低、存储能力更强而备受关注。作为半金属材料家族中的重要成员,Co基Heusler合金因具有高自旋极化率、高居里温度等特点而被视为具有潜力的磁电阻结电极材料。然而,在实际中Co基Heusler合金磁电阻结器件表现出来的性能并不太理想。为弄清实测值与理论期望存在较大差距的原因,借助上面所提到的两大数学工具(即DFT和NEGF方法),开展了对典型的Co基Heusler合金磁电阻结异质界面特征及自旋极化输运的基础研究,力图从理论上探究问题根源所在,并为发展高性能磁电阻结材料提供可靠的解决方案。具体来说,本文的主要内容安排为以下几个部分：一、作为磁电阻重要组成部分之一的电极材料,应当具备结构稳定性和热动力学稳定性等基本特征。尤其是当其处于较高退火温度的环境下时,是否能够保持高度有序的相结构,关系到还能否发挥出优良的半金属特性。基于密度泛函理论,采用第一性原理计算和准谐德拜模型方法对四种典型的Co基Heusler化合物Co2YZ (Y=Sc, Cr;Z=Al, Ga)(空间群表示为Fm-3m)的电子结构、弹性及热力学性质进行了系统的研究。结果表明：对于Co2CrAl和Co2CrGa而言,尽管具备良好的半金属特性,而且在高压环境下两者的自旋极化率还有所提升,但其晶格动力学稳定性较差,导致了两者应用价值不大;而对Co2ScAl和Co2ScGa来说,虽然均符合结构稳定性和晶格动力学稳定性等基本判据,但却并不具备典型的半金属特性,进而证实Co2ScZ也不适合作为电极材料来使用。二、在已知同时具备相稳定性和典型半金属性的前提条件下,选取了Co基Heusler合金Co2MnAl(空间群表示为Fm-3m)作为电极材料来考察其器件潜质。由于实际制备环境中Co2MnAl的B2无序结构跟L21有序结构的形成能相差很小,且相应的块体(Bulk)自旋极化率反而更高,为此将B2无序下的情况作为重点来研究。借助非平衡格林函数方法,通过对L21有序和B2无序两种情况下磁电阻值的计算发现Co2MnAl/Ag/Co2MnAl磁电阻结在无序情况下能够获得更为优良的输运性能(中间层材料Ag的空间群表示为Fm-3m)。在此基础上,结合对电子结构及磁性的分析,可以认为在制备过程中具备单一B2无序相结构的Co2MnAl基Co2MnAl/Ag/Co2MnAl三层膜磁电阻结具有较大的使用价值和应用前景。三、基于密度泛函理论并结合非平衡格林函数方法,考虑了另一种常见的具有高自旋极化率、高居里温度且高温下结构稳定的Co基Heusler合金材料——Co2MnSi(空间群表示为Fm-3m)及其三明治结构器件。对实验上研究得较为成熟的Co2MnSi/Ag/Co2MnSi三层膜器件来说,虽然实验方法和手段在不断地改进,但是实际上磁电阻测量值仍然不是十分理想。在本论文中,设计和模拟了有限厚度的Co基Heusler合金Co2MnSi为电极材料的Co2MnSi/Ag/Co2MnSi三层膜结构,计算和分析了Ag/Co2MnSi异质界面附近的界面特征对每一原子层电子结构的影响。随后,在研究中引入了界面无序的概念以最大程度模拟可能的真实情况,发现在高温退火环境下最有可能发生的无序情况是界面DO3类型的原子无序(即界面第一层L1的Mn原子与第二层L2的Co原子发生交换无序)。进一步的磁输运研究发现,上述DO3类型界面处原子无序排布,结合异质界面本身所构成的综合效应,将会对Co2MnSi/Ag/Co2MnSi三层膜器件的自旋极化输运性能带来致命性破坏作用。四、采用密度泛函理论计算并依赖非平衡格林函数方法,进一步总结了Co基Heusler合金Co2YZ材料(Y=Sc,Ti,V, Cr, Mn,Fe;Z=Al,Si,Ge)(空间群表示为Fm-3m)与一种具有代表性的纯金属——铝(A1)(空间群表示为Fm-3m)的能带结构匹配情况,建立了该匹配度与对应Co2YZ/

关键词：密度泛函理论非平衡格林函数 Heusler合金电子结构磁电阻结自旋极化输运

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非平衡格林函数在电子输运问题中的应用

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江西科学 2007年第6期25卷 730-732页

作者：刘志勇刘燕勇董彬江西理工大学理学院江西赣州341000 江西师范大学物理与通信电子学院江西南昌330022 景德镇市乐平中学江西景德镇333300

简单讨论了非平衡格林函数理论,并利用非平衡格林函数理论推导了电子相互作用体系的电流公式,获得了一些一般性的结果。

关键词：非平衡格林函数电流公式电子输运态密度函数

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基于非平衡格林函数方法的低维纳米器件的设计与模拟

基于非平衡格林函数方法的低维纳米器件的设计与模拟

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作者：余兴南京师范大学

学位级别：硕士

低维纳米材料由于具有显著的量子限域效应,相较于体相材料表现出诸多新颖的特性。经过多年的发展,纳米材料研究已经取得了长足的进展,在很多领域都得到了广泛应用。但目前在纳米材料的研究和探索中仍然存在着一些亟需解决的问题,很多纳... 详细信息

低维纳米材料由于具有显著的量子限域效应,相较于体相材料表现出诸多新颖的特性。经过多年的发展,纳米材料研究已经取得了长足的进展,在很多领域都得到了广泛应用。但目前在纳米材料的研究和探索中仍然存在着一些亟需解决的问题,很多纳米材料的性能仍然难以满足人们对高性能材料的需求。研究者一方面对现有的材料体系不断地进行修饰和改性,另一方面也不断探索发现新材料并进一步研究材料的性能。在实验技术不断进步的同时,理论模拟也逐渐成为纳米材料研究的一种重要手段。随着理论模拟方法的不断完善,理论计算可以在原子尺度上很好地揭示纳米材料性能和设计新颖纳米材料。本文通过密度泛函理论（DFT）计算并结合非平衡格林函数（NEGF）方法系统地研究了几种新型低维纳米材料的电子结构和输运性质。探索通过应变、掺杂、构建异质结等手段来调控材料的性质,探究外界因素对材料性能产生的影响,合理分析外界条件引起变化的原因,在此基础上拓展材料的应用范围。本文的主要内容如下:（1）探究了含有线缺陷的二维硼烯作为气体传感器的传感性能。研究表明含氮气体分子可以强烈吸附在硼烯线缺陷处,并和线缺陷硼烯产生明显的电子转移。进一步研究了硼烯线缺陷吸附气体前后的I-V特性,通过电流变化来显示敏感度,在很小的偏压下,吸附NO,NO2,NH3后分别显示出剧烈的电流变化。相应的电流变化表明了优异的灵敏性和选择性。透射谱和局域态密度的分析揭示了电流变化的原因,吸附气体分子后态密度的变化导致了传输的改变。该研究揭示了线缺陷硼烯在未来气体传感领域的应用前景。（2）研究了呈现半金属特性的VBr3纳米线的自旋输运性质。探究不同长度下的VBr3纳米线的自旋滤波效率（SFE）。在一定的偏压下,固定长度的VBr3具有100%的自旋滤波效率。进一步通过外界调控的方法,探究材料输运性质的改变。通过对VBr3施加应变和过渡金属掺杂。VBr3在拉伸应变下完美的SFE的偏压窗口会扩大,而在压缩应变下会变得更窄。对于掺杂特定过渡金属的VBr3纳米线,理想的SFE的偏压范围在低掺杂浓度下会显著扩大。在拉伸应变下或通过一定的掺杂可以提高VBr3的半金属性,该研究为调节一维磁性纳米线的半金属行为和进一步设计高性能自旋电子器件提供了有希望的方法。

关键词：密度泛函理论非平衡格林函数量子输运电子器件

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从散射波函数方法中导出的非平衡格林函数公式

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浙江师范大学学报（自然科学版） 2009年第1期32卷 59-64页

作者：张俊杰张艳娜邱宇蒋永进浙江师范大学数理与信息工程学院浙江金华321004

给出了从Landauer-Buttiker′s散射波函数导出无相互作用介观系统中的非平衡格林函数公式的严格证明.结果表明:尽管散射波函数理论和非平衡格林函数理论基于非常不同的物理思想,但在应用上这2个等价的理论工具是可以互补的.

关键词：量子输运介观系统散射波函数非平衡格林函数

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基于非平衡格林函数铁磁-量子点系统的散粒噪声

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装甲兵工程学院学报 2014年第5期28卷 98-102页

作者：赵丽丽装甲兵工程学院基础部北京100072

借助Anderson模型的哈密顿量,利用格林函数和运动方程,研究了铁磁电极的量子点系统的极化输运特性。结果表明:通过调节微波外场、铁磁电极的磁矩相对取向与温度等,均能实现控制体系中自旋极化电流的目的,达到自旋阀效应,为研究新的自旋... 详细信息

借助Anderson模型的哈密顿量,利用格林函数和运动方程,研究了铁磁电极的量子点系统的极化输运特性。结果表明:通过调节微波外场、铁磁电极的磁矩相对取向与温度等,均能实现控制体系中自旋极化电流的目的,达到自旋阀效应,为研究新的自旋电子材料提供了理论依据。

关键词：非平衡格林函数自旋极化输运散粒噪声

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发展自洽求解非平衡格林函数耦合泊松方程式之量子传输数值模拟软体及在奈米元件的应用

发展自洽求解非平衡格林函数耦合泊松方程式之量子传输数值模拟软...

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作者：萧翰为国立台湾大学

学位级别：硕士

随着金氧半场效电晶体的闸极长度来到了次10奈米节点的世代，量子效应开始显着影响载子的传输行为，半古典波兹曼理论已不再适用。由于载子其波的物理性质逐渐开始扮演决定量子元件优劣的重要角色，以薛丁格方程式为基础的非平衡格林函... 详细信息

随着金氧半场效电晶体的闸极长度来到了次10奈米节点的世代，量子效应开始显着影响载子的传输行为，半古典波兹曼理论已不再适用。由于载子其波的物理性质逐渐开始扮演决定量子元件优劣的重要角色，以薛丁格方程式为基础的非平衡格林函数方法提供了一套精确且有效率的理论架构来描述量子传输的现象。此研究中，我们透过耦合非平衡格林函数与泊松方程式自洽求解的数值模拟方法，成功地发展了一套能够计算电子-声子散射、掺杂离子散射与表面粗糙散射的三维量子传输模拟软体，且将其运用于探讨奈米尺度下电子元件的特性。借由此模拟，我们能够分析因非弹性散射所导致的电流分布扩散其载子行为以及主要支配元件表现的散射机制。根据自洽求解的结果，不仅能得到临界电压、线性区和饱和区等典型金氧半场效电晶体的输出特性，同时还能观察到由源极至汲极穿隧效应所造成的漏电现象。此外，也将针对量子传输及半古典飘移-扩散两种理论架构下所得的模拟结果其差异进行比较与讨论。

关键词：非平衡格林函数泊松方程式自洽求解电子-声子散射掺杂离子散射表面粗糙散射全包覆式奈米线场效电晶体鳍士场效电晶体穿隧效应

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