基于量子点的单电子自旋过滤器及单电子自旋过滤方法与流程

本发明涉及纳米电子器件、单电子自旋及电子技术领域，特别涉及一种基于量子点的单电子自旋过滤器及单电子自旋过滤方法，具体地讲，涉及一种利用位于源漏偏压窗口的量子点塞曼分裂能级进行自旋过滤的器件设计。

背景技术：

与传统的电子器件相比，自旋电子器件具有数据处理速度快、功耗低、稳定性好等优点。已成功研制的自旋电子器件包括巨磁电阻、自旋阀、磁隧道结和磁随机存储器等。然而，这些基于铁磁金属的自旋电子器件，难于发展具有放大功能的自旋晶体管，也难于实现与传统微电子器件的集成。

半金属中的自发电子自旋极化率几乎为100%，因此，可以采用半金属材料作为自旋极化的发射源研究自旋极化。常见的半金属材料有：掺杂锰氧化物，双钙钛矿锰氧化物，二氧化铬，氧化铁和Heussler合金等。但是，半金属的居里温度比较低，且电子自旋极化率随着温度的升高会迅速下降，这些缺点使其实际应用价值大打折扣。

1988年，J. S. Moodera等人首次了提出隧道结中的自旋过滤概念，根据隧道结所用的势垒层材料，此类隧道结可分为三种类型：铁磁隧道结、铁电隧道结和多铁隧道结（其中包括单相多铁和复合多铁隧道结）。铁磁隧道结是指采用铁磁性绝缘材料或半导体材料作为势垒层的隧道结，其自旋极化来自于铁磁性半导体势垒的自旋过滤效应，铁磁隧道结的自旋过滤效应起源于铁磁势垒的高度的自旋相关性，势垒的磁性、高度和宽度等因素也将对过滤效应产生一定影响。铁电隧道结是指用铁电绝缘材料作为势垒层的隧道结。铁电势垒的自发极化，导致电极中靠近势垒的界面处产生屏蔽电荷，进而形成静电势，使得电极中的能带发生歪曲，即自旋向上和向下两个通道的电子穿越隧道结时的隧穿几率不一样，因此就产生了自旋过滤效应。铁电隧道结的自旋过滤效应起源于势垒层的有效宽度是自旋相关的。多铁隧道结是采用同时具有铁磁性和铁电性的铁磁-铁电型多铁材料作势垒制成隧道结，这两种产生自旋过滤效应的物理机制也就可能在这样的多铁隧道结中同时发生作用。

在非磁性半导体以及拓扑绝缘体中，由粒子的自旋轨道相互作用可以产生自旋极化现象。硅烯材料与石墨烯结构相似，其导带和价带的边缘都是出现在K和K’的布里渊区的对称点上。然而，硅烯结构中存在曲翘结构，这使得硅烯结构中的自旋轨道耦合强度比较大， 从而使K和K’处打开的能隙较大。由于曲翘结构能通过外加垂直电场来改变，从而能隙的大小可以外部控制。施加Zeeman场时，硅烯的能带结构在布里渊区的两个狄拉克点附近分别占据自旋完全极化的状态，因此，通过硅烯二端器件的电流的自旋是可以完全极化的，从而达到控制电流极化方向的目的。当非极化电流通过三端器件时，自旋极化方向不同的电流分别从另外两个电极流出，就实现了自旋分离。但是，器件与电极的界面效应对自旋极化率的影响比较显著。

凝聚态物理学的研究热点之一是探索纳米尺度下量子体系的特性，寻求新一代量子电子器件。随着自旋电子学的发展，能有效的操纵电子自旋自由度成了物理界和材料界关注的重点。量子点具有人工可调控性，利用其制造的量子点器件已得到了令人瞩目的发展，是当今纳米电子器件研制的热点方向。量子点中电子的自旋属性扮演着重要的角色，利用量子点器件中的电子自旋进行量子信息处理，被认为是最有希望实现未来量子计算机的方向之一。上世纪90年代开展了大量有关量子点的研究。到目前为止，量子点已经成为一种束缚单电子电荷的标准技术。只要你愿意，电子被捕获的时间可以要多久就多久。当一个电子从量子点隧穿出去时，电荷的变化可以在μs量级上被测量到。与对电荷进行控制相比，要控制单个自旋并测量单个电子的自旋是非常困难的，幸运的是，这些技术已经发展起来了。结果表明，一个量子点能够使一个或者两个电子受到限制；单个电子的自旋能被调控而置于向上和向下两态的叠加态；两个自旋能被调控而产生相互作用，进而形成一种纠缠态，如自旋单态或者自旋三态，这些操控的结果可以通过彼此独立的自旋进行测量。对彼此独立电子的自旋能够完全控制的能力，使得我们可以研究固态环境中的完全量子机制的单自旋动力学。

量子点是固态人造亚微米结构，典型地它包含10³~10⁹个原子和相当数目的电子。在半导体量子点中，除了少数自由电子外，其余所有电子都是紧束缚的，这个数目从零到几千不等。首先，量子点中的每一个电子，其自旋直接受到外部磁场以塞曼能量的方式施加的影响，其次，泡利不相容原理禁止两个具有相同自旋方向的电子占据同一个轨道，因此不同电子进入不同的轨道，这通常会导致不同能态具有不同能量。最后，库仑相互作用会导致有对称和反对称轨道波函数的不同能态之间的能量差异（能量交换）。因为量子点具有量子化能级、受束电子数目可受调控、能级可受调控等特点，我们提出了基于量子点的单电子自旋过滤的方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：针对上述背景技术存在的问题，而提供一种基于量子点的单电子自旋过滤器及单电子自旋过滤方法，基于单电子晶体管的量子点结构，采用外部调控的方法，使自旋非极化的电子经过单电子晶体管后，变为自旋极化的电子，而且能对电子的自旋方向进行判定和计数。

本发明采用的技术方案是：一种基于量子点的单电子自旋过滤器，主要组成部分是单电子晶体管，单电子晶体管具有库仑岛、源极、漏极和栅极，量子点作为单电子晶体管的库仑岛，库仑岛与源极和漏极以隧穿势垒连接，库仑岛与栅极以电容形式耦合；单电子晶体管置于垂直磁场中，单电子晶体管的漏极输出端连接自旋电子读出电路，自旋电子读出电路置于水平非均匀磁场中。

上述技术方案中，所述量子点采用石墨烯量子点。

上述技术方案中，所述单电子晶体管的库仑岛、源极、漏极和栅极集成设置在硅基片表面形成的二氧化硅衬底上，库仑岛、隧穿势垒、源极、漏极和栅极上再沉积有氧化铝保护层。

一种采用上述基于量子点的单电子自旋过滤器的单电子自旋过滤方法，量子点作为单电子晶体管的库仑岛，其分立能级在垂直磁场中发生塞曼分裂，分裂能级具有自旋相关性，具有自旋过滤效应。

上述技术方案中，调节单电子晶体管的源、漏偏置电压和栅压，使自旋向上或者自旋向下的某个特定自旋方向的量子点塞曼分裂能级位于源、漏偏压窗口，形成单电子晶体管的单电子输运通道，完成单电子自旋过滤；调节单电子晶体管的源、漏偏置电压和栅压，可以使量子点塞曼分裂能级都不位于源、漏偏压窗口，关闭单电子晶体管的电子通道，从而没有电子被自旋极化；

上述技术方案中，经由单电子晶体管发生了自旋极化的出射电子，在水平非均匀磁场的作用下，运动方向会发生偏转，从而实现分离和探测；自旋方向相反的电子，其磁矩取向相反，在水平非均匀磁场中运动时，因受力不同而运动轨迹被分开，到达两个不同的探测器。

上述技术方案中，单电子晶体管的充电能大于塞曼分裂能，塞曼分裂能大于热能。

上述技术方案中，调节源、漏偏压的大小使得最多只能容纳一个塞曼分裂能级处在偏压窗口中；通过调节源、漏偏压和栅压，可以将库仑岛上的自由电子耗尽，然后再注入单个电子，完成单电子自旋极化。

上述技术方案中，源、漏偏压不变，只改变栅压，可以调节作为电子通道的、具有特定自旋方向的某个能级上下移动，实现电子通道的打开或者关闭。

上述技术方案中，源、漏偏压不变，只改变栅压，可以调节具有不同自旋方向的相邻量子点能级，依次出现在偏压窗口，成为自旋极化的电子通道。

上述技术方案中，经由单电子晶体管发生了自旋极化的出射电子，在水平非均匀磁场的作用下运动方向发生偏转，实现分离，可以被探测。

本发明实现了对单个入射电子的自旋极化，以及自旋极化出射电子的读出，有利于数据处理速度快、功耗低、稳定性好的自旋电子器件的设计，应用广泛。

附图说明

图1为单个量子点的单电子晶体管模型；图1中，1是源极，2是漏极，3是栅极，4是库仑岛，11是源极与库仑岛之间的隧穿势垒，21是漏极与库仑岛之间的隧穿势垒，31是栅极与库仑岛之间的耦合电容；

图2为基于量子点的自旋过滤器的构成示意图；图2中，51和52是单电子晶体管的保护电阻，52和53构成了源漏输入电压的分压器，单电子晶体管置于垂直磁场B₁中，自旋电子读出电路置于水平非均匀磁场B₂中；

图3为少电子量子点用作双极自旋过滤器的原理示意图；图3中，12是源极费米能级，22是漏极费米能级，41和42是库仑岛的塞曼分裂能级；

图4为通过调节栅压实现不同自旋极化的原理示意图；图4中，(a)是量子点上自由电子被耗尽，(b)是量子点中一个自旋向上的能级位于源漏偏压窗口，(c)是量子点中一个自旋向下的能级位于源漏偏压窗口；

图5为基于量子点的自旋过滤的原理示意图。

具体实施方式

参见附图，本发明的基于量子点的单电子自旋过滤器，主要组成部分是单电子晶体管，单电子晶体管具有库仑岛、源极、漏极和栅极，量子点作为单电子晶体管的库仑岛，库仑岛与源极和漏极以隧穿势垒连接，库仑岛与栅极以电容形式耦合；单电子晶体管置于垂直磁场中，单电子晶体管的漏极输出端连接自旋电子读出电路，自旋电子读出电路置于水平非均匀磁场中，所述量子点采用石墨烯量子点，所述单电子晶体管的库仑岛、源极、漏极和栅极集成设置在硅基片表面形成的二氧化硅衬底上，库仑岛、隧穿势垒、源极、漏极和栅极上再沉积有氧化铝保护层。

一种采用上述基于量子点的单电子自旋过滤器的单电子自旋过滤方法，量子点作为单电子晶体管的库仑岛，其分立能级在垂直磁场中发生塞曼分裂，分裂能级具有自旋相关性，具有自旋过滤效应，调节单电子晶体管的源、漏偏置电压和栅压，使自旋向上或者自旋向下的某个特定自旋方向的量子点塞曼分裂能级位于源、漏偏压窗口，形成单电子晶体管的单电子输运通道，完成单电子自旋过滤；调节单电子晶体管的源、漏偏置电压和栅压，可以使量子点塞曼分裂能级都不位于源、漏偏压窗口，关闭单电子晶体管的电子通道，从而没有电子被自旋极化，经由单电子晶体管发生了自旋极化的出射电子，在水平非均匀磁场的作用下，运动方向会发生偏转，从而实现分离和探测；自旋方向相反的电子，其磁矩取向相反，在水平非均匀磁场中运动时，因受力不同而运动轨迹被分开，到达两个不同的探测器，单电子晶体管的充电能大于塞曼分裂能，塞曼分裂能大于热能，调节源、漏偏压的大小使得最多只能容纳一个塞曼分裂能级处在偏压窗口中；通过调节源、漏偏压和栅压，可以将库仑岛上的自由电子耗尽，然后再注入单个电子，完成单电子自旋极化，源、漏偏压不变，只改变栅压，可以调节作为电子通道的、具有特定自旋方向的某个能级上下移动，实现电子通道的打开或者关闭，源、漏偏压不变，只改变栅压，可以调节具有不同自旋方向的相邻量子点能级，依次出现在偏压窗口，成为自旋极化的电子通道。

上述方法中，经由单电子晶体管发生了自旋极化的出射电子，在水平非均匀磁场的作用下运动方向发生偏转，实现分离，可以被探测。

本发明的基于量子点的单电子自旋过滤器，是根据泡利不相容原理，禁止量子点的两个具有相同自旋方向的电子占据同一个塞曼分裂能级，因此电子进入特定自旋方向的轨道，就被自旋极化。

上述自旋极化的电子，因磁矩取向不同，在水平非均匀磁场中将被分离开而到达不同的探测器，完成自旋态的检测。

为了实现单电子自旋过滤，可以采用下面三个步骤：

（1）耗尽单电子晶体管库仑岛上自由电子；

（2）向单电子晶体管库仑岛注入一个电子；

（3）测量出射电子的自旋态。

如果塞曼分裂超过了充电能，通过量子点的电子输运是自旋极化的，量子点可以被当作自旋过滤器。如图3所示，如果只有单电子自旋向上态能量上是处于源漏偏压窗口的，在库仑岛上电子被耗尽和含有一个自由电子的输运过程中，电子是自旋向上极化的。

如图4所示，在库仑岛上含有一个自由电子和含有二个自由电子的输运过程中，如果没有激发态是被允许的，因为电子通道已经有一个自旋向上的电子，根据泡利不相容原理，则只能允许一个自旋向下的电子进入电子通道，从而出射电子是自旋向下极化的。因此，通过调节量子点到相关输运，自旋过滤器的极化可以发生电性反转。

以下通过本发明一个具体的实施例，结合附图对本发明单电子自旋过滤的方法作进一步详细的说明：

（1）采用如图1所示的单电子晶体管作为单电子自旋过滤器的核心组成部分，源极和漏极分别与库仑岛通过隧穿耦合，栅极与库仑岛通过电容耦合。如图2所示，单电子晶体管完成单个注入电子的自旋极化，输出电子的自旋态通过读出电路进行检测。

（2）调节源漏偏压和栅极电压，如图4(a)所示，由于量子点自旋向上能级41和自旋向下能级42都高于源极1的电子库费米能级12，量子点上没有电子。

（3）栅极施加一个正的电压脉冲，如图4（b）所示，将量子点自旋向上能级41调节到源漏偏压窗口中，而自旋向下能级42仍然高于源极1的电子库费米能级12。于是，从能量角度来讲，允许一个电子隧穿到达量子点的能级41之上，这个电子是自旋向上极化的。

（4）如果栅极施加一个较大的正电压脉冲，如图4（c）所示，将量子点自旋向下能级42调节到源漏偏压窗口中，而自旋向上能级41低于漏极2的电子库费米能级22。于是，从能量角度来讲，允许一个电子隧穿到达量子点的能级42之上，这个电子是自旋向下极化的。

（5）入射量子点的电子在一段时间之后，将会发生隧穿到达漏极2，如图5所示，这个电子在磁场作用下会因为自旋方向不同而受到不同的力，具有不同的运动轨迹，被探测器检测。

量子点是一种常规通用的系统，存在许多不同材料和形态的量子点。上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明技术方案和技术构思所做出其它各种相应的改变和变形，都应涵盖在本发明的保护范围之内。