本實用新型涉及納米電子器件、單電子自旋及電子技術領域，特別涉及一種基于量子點的單電子自旋過濾器，具體地講，涉及一種利用位于源漏偏壓窗口的量子點塞曼分裂能級進行自旋過濾的器件設計。

背景技術：

與傳統(tǒng)的電子器件相比，自旋電子器件具有數(shù)據處理速度快、功耗低、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。已成功研制的自旋電子器件包括巨磁電阻、自旋閥、磁隧道結和磁隨機存儲器等。然而，這些基于鐵磁金屬的自旋電子器件，難于發(fā)展具有放大功能的自旋晶體管，也難于實現(xiàn)與傳統(tǒng)微電子器件的集成。

半金屬中的自發(fā)電子自旋極化率幾乎為100%，因此，可以采用半金屬材料作為自旋極化的發(fā)射源研究自旋極化。常見的半金屬材料有：摻雜錳氧化物，雙鈣鈦礦錳氧化物，二氧化鉻，氧化鐵和Heussler合金等。但是，半金屬的居里溫度比較低，且電子自旋極化率隨著溫度的升高會迅速下降，這些缺點使其實際應用價值大打折扣。

1988年，J. S. Moodera等人首次了提出隧道結中的自旋過濾概念，根據隧道結所用的勢壘層材料，此類隧道結可分為三種類型：鐵磁隧道結、鐵電隧道結和多鐵隧道結（其中包括單相多鐵和復合多鐵隧道結）。鐵磁隧道結是指采用鐵磁性絕緣材料或半導體材料作為勢壘層的隧道結，其自旋極化來自于鐵磁性半導體勢壘的自旋過濾效應，鐵磁隧道結的自旋過濾效應起源于鐵磁勢壘的高度的自旋相關性，勢壘的磁性、高度和寬度等因素也將對過濾效應產生一定影響。鐵電隧道結是指用鐵電絕緣材料作為勢壘層的隧道結。鐵電勢壘的自發(fā)極化，導致電極中靠近勢壘的界面處產生屏蔽電荷，進而形成靜電勢，使得電極中的能帶發(fā)生歪曲，即自旋向上和向下兩個通道的電子穿越隧道結時的隧穿幾率不一樣，因此就產生了自旋過濾效應。鐵電隧道結的自旋過濾效應起源于勢壘層的有效寬度是自旋相關的。多鐵隧道結是采用同時具有鐵磁性和鐵電性的鐵磁-鐵電型多鐵材料作勢壘制成隧道結，這兩種產生自旋過濾效應的物理機制也就可能在這樣的多鐵隧道結中同時發(fā)生作用。

在非磁性半導體以及拓撲絕緣體中，由粒子的自旋軌道相互作用可以產生自旋極化現(xiàn)象。硅烯材料與石墨烯結構相似，其導帶和價帶的邊緣都是出現(xiàn)在K和K’的布里淵區(qū)的對稱點上。然而，硅烯結構中存在曲翹結構，這使得硅烯結構中的自旋軌道耦合強度比較大，從而使K和K’處打開的能隙較大。由于曲翹結構能通過外加垂直電場來改變，從而能隙的大小可以外部控制。施加Zeeman場時，硅烯的能帶結構在布里淵區(qū)的兩個狄拉克點附近分別占據自旋完全極化的狀態(tài)，因此，通過硅烯二端器件的電流的自旋是可以完全極化的，從而達到控制電流極化方向的目的。當非極化電流通過三端器件時，自旋極化方向不同的電流分別從另外兩個電極流出，就實現(xiàn)了自旋分離。但是，器件與電極的界面效應對自旋極化率的影響比較顯著。

凝聚態(tài)物理學的研究熱點之一是探索納米尺度下量子體系的特性，尋求新一代量子電子器件。隨著自旋電子學的發(fā)展，能有效的操縱電子自旋自由度成了物理界和材料界關注的重點。量子點具有人工可調控性，利用其制造的量子點器件已得到了令人矚目的發(fā)展，是當今納米電子器件研制的熱點方向。量子點中電子的自旋屬性扮演著重要的角色，利用量子點器件中的電子自旋進行量子信息處理，被認為是最有希望實現(xiàn)未來量子計算機的方向之一。上世紀90年代開展了大量有關量子點的研究。到目前為止，量子點已經成為一種束縛單電子電荷的標準技術。只要你愿意，電子被捕獲的時間可以要多久就多久。當一個電子從量子點隧穿出去時，電荷的變化可以在μs量級上被測量到。與對電荷進行控制相比，要控制單個自旋并測量單個電子的自旋是非常困難的，幸運的是，這些技術已經發(fā)展起來了。結果表明，一個量子點能夠使一個或者兩個電子受到限制；單個電子的自旋能被調控而置于向上和向下兩態(tài)的疊加態(tài)；兩個自旋能被調控而產生相互作用，進而形成一種糾纏態(tài)，如自旋單態(tài)或者自旋三態(tài)，這些操控的結果可以通過彼此獨立的自旋進行測量。對彼此獨立電子的自旋能夠完全控制的能力，使得我們可以研究固態(tài)環(huán)境中的完全量子機制的單自旋動力學。

量子點是固態(tài)人造亞微米結構，典型地它包含10³~10⁹個原子和相當數(shù)目的電子。在半導體量子點中，除了少數(shù)自由電子外，其余所有電子都是緊束縛的，這個數(shù)目從零到幾千不等。首先，量子點中的每一個電子，其自旋直接受到外部磁場以塞曼能量的方式施加的影響，其次，泡利不相容原理禁止兩個具有相同自旋方向的電子占據同一個軌道，因此不同電子進入不同的軌道，這通常會導致不同能態(tài)具有不同能量。最后，庫侖相互作用會導致有對稱和反對稱軌道波函數(shù)的不同能態(tài)之間的能量差異（能量交換）。因為量子點具有量子化能級、受束電子數(shù)目可受調控、能級可受調控等特點，我們提出了基于量子點的單電子自旋過濾的方法。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型所要解決的技術問題是：針對上述背景技術存在的問題，而提供一種基于量子點的單電子自旋過濾器，基于單電子晶體管的量子點結構，采用外部調控的方法，使自旋非極化的電子經過單電子晶體管后，變?yōu)樽孕龢O化的電子，而且能對電子的自旋方向進行判定和計數(shù)。

本實用新型采用的技術方案是：一種基于量子點的單電子自旋過濾器，主要組成部分是單電子晶體管，單電子晶體管具有庫侖島、源極、漏極和柵極，量子點作為單電子晶體管的庫侖島，庫侖島與源極和漏極以隧穿勢壘連接，庫侖島與柵極以電容形式耦合；單電子晶體管置于垂直磁場中，單電子晶體管的漏極輸出端連接自旋電子讀出電路，自旋電子讀出電路置于水平非均勻磁場中。

上述技術方案中，所述量子點采用石墨烯量子點。

上述技術方案中，所述單電子晶體管的庫侖島、源極、漏極和柵極集成設置在硅基片表面形成的二氧化硅襯底上，庫侖島、隧穿勢壘、源極、漏極和柵極上再沉積有氧化鋁保護層。

上述基于量子點的單電子自旋過濾器的單電子自旋過濾方法，量子點作為單電子晶體管的庫侖島，其分立能級在垂直磁場中發(fā)生塞曼分裂，分裂能級具有自旋相關性，具有自旋過濾效應。

上述技術方案中，調節(jié)單電子晶體管的源、漏偏置電壓和柵壓，使自旋向上或者自旋向下的某個特定自旋方向的量子點塞曼分裂能級位于源、漏偏壓窗口，形成單電子晶體管的單電子輸運通道，完成單電子自旋過濾；調節(jié)單電子晶體管的源、漏偏置電壓和柵壓，可以使量子點塞曼分裂能級都不位于源、漏偏壓窗口，關閉單電子晶體管的電子通道，從而沒有電子被自旋極化；

上述技術方案中，經由單電子晶體管發(fā)生了自旋極化的出射電子，在水平非均勻磁場的作用下，運動方向會發(fā)生偏轉，從而實現(xiàn)分離和探測；自旋方向相反的電子，其磁矩取向相反，在水平非均勻磁場中運動時，因受力不同而運動軌跡被分開，到達兩個不同的探測器。

上述技術方案中，單電子晶體管的充電能大于塞曼分裂能，塞曼分裂能大于熱能。

上述技術方案中，調節(jié)源、漏偏壓的大小使得最多只能容納一個塞曼分裂能級處在偏壓窗口中；通過調節(jié)源、漏偏壓和柵壓，可以將庫侖島上的自由電子耗盡，然后再注入單個電子，完成單電子自旋極化。

上述技術方案中，源、漏偏壓不變，只改變柵壓，可以調節(jié)作為電子通道的、具有特定自旋方向的某個能級上下移動，實現(xiàn)電子通道的打開或者關閉。

上述技術方案中，源、漏偏壓不變，只改變柵壓，可以調節(jié)具有不同自旋方向的相鄰量子點能級，依次出現(xiàn)在偏壓窗口，成為自旋極化的電子通道。

上述技術方案中，經由單電子晶體管發(fā)生了自旋極化的出射電子，在水平非均勻磁場的作用下運動方向發(fā)生偏轉，實現(xiàn)分離，可以被探測。

本實用新型實現(xiàn)了對單個入射電子的自旋極化，以及自旋極化出射電子的讀出，有利于數(shù)據處理速度快、功耗低、穩(wěn)定性好的自旋電子器件的設計，應用廣泛。

附圖說明

圖1為單個量子點的單電子晶體管模型；圖1中，1是源極，2是漏極，3是柵極，4是庫侖島，11是源極與庫侖島之間的隧穿勢壘，21是漏極與庫侖島之間的隧穿勢壘，31是柵極與庫侖島之間的耦合電容；

圖2為基于量子點的自旋過濾器的構成示意圖；圖2中，51和52是單電子晶體管的保護電阻，52和53構成了源漏輸入電壓的分壓器，單電子晶體管置于垂直磁場B₁中，自旋電子讀出電路置于水平非均勻磁場B₂中；

圖3為少電子量子點用作雙極自旋過濾器的原理示意圖；圖3中，12是源極費米能級，22是漏極費米能級，41和42是庫侖島的塞曼分裂能級；

圖4為通過調節(jié)柵壓實現(xiàn)不同自旋極化的原理示意圖；圖4中，(a)是量子點上自由電子被耗盡，(b)是量子點中一個自旋向上的能級位于源漏偏壓窗口，(c)是量子點中一個自旋向下的能級位于源漏偏壓窗口；

圖5為基于量子點的自旋過濾的原理示意圖。

具體實施方式

參見附圖，本實用新型的基于量子點的單電子自旋過濾器，主要組成部分是單電子晶體管，單電子晶體管具有庫侖島、源極、漏極和柵極，量子點作為單電子晶體管的庫侖島，庫侖島與源極和漏極以隧穿勢壘連接，庫侖島與柵極以電容形式耦合；單電子晶體管置于垂直磁場中，單電子晶體管的漏極輸出端連接自旋電子讀出電路，自旋電子讀出電路置于水平非均勻磁場中，所述量子點采用石墨烯量子點，所述單電子晶體管的庫侖島、源極、漏極和柵極集成設置在硅基片表面形成的二氧化硅襯底上，庫侖島、隧穿勢壘、源極、漏極和柵極上沉積有氧化鋁保護層。

一種采用上述基于量子點的單電子自旋過濾器的單電子自旋過濾方法，量子點作為單電子晶體管的庫侖島，其分立能級在垂直磁場中發(fā)生塞曼分裂，分裂能級具有自旋相關性，具有自旋過濾效應，調節(jié)單電子晶體管的源、漏偏置電壓和柵壓，使自旋向上或者自旋向下的某個特定自旋方向的量子點塞曼分裂能級位于源、漏偏壓窗口，形成單電子晶體管的單電子輸運通道，完成單電子自旋過濾；調節(jié)單電子晶體管的源、漏偏置電壓和柵壓，可以使量子點塞曼分裂能級都不位于源、漏偏壓窗口，關閉單電子晶體管的電子通道，從而沒有電子被自旋極化，經由單電子晶體管發(fā)生了自旋極化的出射電子，在水平非均勻磁場的作用下，運動方向會發(fā)生偏轉，從而實現(xiàn)分離和探測；自旋方向相反的電子，其磁矩取向相反，在水平非均勻磁場中運動時，因受力不同而運動軌跡被分開，到達兩個不同的探測器，單電子晶體管的充電能大于塞曼分裂能，塞曼分裂能大于熱能，調節(jié)源、漏偏壓的大小使得最多只能容納一個塞曼分裂能級處在偏壓窗口中；通過調節(jié)源、漏偏壓和柵壓，可以將庫侖島上的自由電子耗盡，然后再注入單個電子，完成單電子自旋極化，源、漏偏壓不變，只改變柵壓，可以調節(jié)作為電子通道的、具有特定自旋方向的某個能級上下移動，實現(xiàn)電子通道的打開或者關閉，源、漏偏壓不變，只改變柵壓，可以調節(jié)具有不同自旋方向的相鄰量子點能級，依次出現(xiàn)在偏壓窗口，成為自旋極化的電子通道。

上述方法中，經由單電子晶體管發(fā)生了自旋極化的出射電子，在水平非均勻磁場的作用下運動方向發(fā)生偏轉，實現(xiàn)分離，可以被探測。

本實用新型的基于量子點的單電子自旋過濾器，是根據泡利不相容原理，禁止量子點的兩個具有相同自旋方向的電子占據同一個塞曼分裂能級，因此電子進入特定自旋方向的軌道，就被自旋極化。

上述自旋極化的電子，因磁矩取向不同，在水平非均勻磁場中將被分離開而到達不同的探測器，完成自旋態(tài)的檢測。

為了實現(xiàn)單電子自旋過濾，可以采用下面三個步驟：

（1）耗盡單電子晶體管庫侖島上自由電子；

（2）向單電子晶體管庫侖島注入一個電子；

（3）測量出射電子的自旋態(tài)。

如果塞曼分裂超過了充電能，通過量子點的電子輸運是自旋極化的，量子點可以被當作自旋過濾器。如圖3所示，如果只有單電子自旋向上態(tài)能量上是處于源漏偏壓窗口的，在庫侖島上電子被耗盡和含有一個自由電子的輸運過程中，電子是自旋向上極化的。

如圖4所示，在庫侖島上含有一個自由電子和含有二個自由電子的輸運過程中，如果沒有激發(fā)態(tài)是被允許的，因為電子通道已經有一個自旋向上的電子，根據泡利不相容原理，則只能允許一個自旋向下的電子進入電子通道，從而出射電子是自旋向下極化的。因此，通過調節(jié)量子點到相關輸運，自旋過濾器的極化可以發(fā)生電性反轉。

以下通過本實用新型一個具體的實施例，結合附圖對本實用新型單電子自旋過濾的方法作進一步詳細的說明：

（1）采用如圖1所示的單電子晶體管作為單電子自旋過濾器的核心組成部分，源極和漏極分別與庫侖島通過隧穿耦合，柵極與庫侖島通過電容耦合。如圖2所示，單電子晶體管完成單個注入電子的自旋極化，輸出電子的自旋態(tài)通過讀出電路進行檢測。

（2）調節(jié)源漏偏壓和柵極電壓，如圖4(a)所示，由于量子點自旋向上能級41和自旋向下能級42都高于源極1的電子庫費米能級12，量子點上沒有電子。

（3）柵極施加一個正的電壓脈沖，如圖4（b）所示，將量子點自旋向上能級41調節(jié)到源漏偏壓窗口中，而自旋向下能級42仍然高于源極1的電子庫費米能級12。于是，從能量角度來講，允許一個電子隧穿到達量子點的能級41之上，這個電子是自旋向上極化的。

（4）如果柵極施加一個較大的正電壓脈沖，如圖4（c）所示，將量子點自旋向下能級42調節(jié)到源漏偏壓窗口中，而自旋向上能級41低于漏極2的電子庫費米能級22。于是，從能量角度來講，允許一個電子隧穿到達量子點的能級42之上，這個電子是自旋向下極化的。

（5）入射量子點的電子在一段時間之后，將會發(fā)生隧穿到達漏極2，如圖5所示，這個電子在磁場作用下會因為自旋方向不同而受到不同的力，具有不同的運動軌跡，被探測器檢測。

量子點是一種常規(guī)通用的系統(tǒng)，存在許多不同材料和形態(tài)的量子點。上述實施例僅為說明本實用新型的技術構思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術的人士能夠了解本實用新型的內容并據以實施，并不能以此限制本實用新型的保護范圍。凡根據本實用新型技術方案和技術構思所做出其它各種相應的改變和變形，都應涵蓋在本實用新型的保護范圍之內。