量子点系统中的热输运研究
【摘要】：近年来,随着微加工技术和纳米技术的快速发展,理解纳米尺
度结构中热是如何被运载、分布、储存以及转换等问题成为人们越来
越关注和重视的研究课题。探索了解纳米尺度结构中的发热规律与研
究如何降低和利用纳米器件的发热量对于深刻理解电子输运信息、缓
解世界能源危机有着非常重要的意义。最近,由于人们在纳米结构材
料中得到了较高的热电品质因子,因此合理利用纳米系统的热电效应
将成为回收利用废热非常有效的办法。本文将这些问题具体到量子点
系统中,一方面通过构建不同的量子点结构来寻求更高的热电品质因
子,另一方面对与超导电极和金属电极相连的量子点中的发热特性做
了深入的研究。论文首先介绍了量子点及其输运特性、局域发热效应
和热电效应及其研究现状,接着详细介绍了量子输运的非平衡格林函
数方法,给出了电流、热流和发热量的普遍表达形式。基于这些表达
式,本文主要研究内容如下：首先,我们研究了串联耦合双量子点中自
旋相关的热电输运特性。耦合双量子点与两端铁磁电极相连,而且在
耦合双量子点间的势垒中外加一个稳定的磁场,因此量子点与电极之
间以及量子点之间的隧穿耦合都是自旋相关的。我们发现当两端铁磁
电极处于平行磁化结构时,如果自旋向下电子对应的有效点间耦合以
及点与电极耦合比较小,自旋向下共振能级附近的热电转换效率就会
很大地增强。当存在外加磁场的时候,铁磁电极上的自旋累积将抑制
热电转换效率。在合适的温度条件下点内库仑相互作用也会很大地提
高热电转换和热自旋转换效率。而且我们得到一个纯自旋热电势。其
次,我们研究了由一个中间量子点与两个侧向量子点耦合组成的三量
子点结构中的热电输运特性,主要讨论了线性响应区域Dicke效应对
热电输运的影响。我们发现在低温情形下,电导和热导率都呈现出了
电子版本的Dicke效应。当能级间距比较小(或者是特别大)和点间隧
穿耦合比较大的时候,在亚辐射态附近,由于局域态密度函数类似于δ
函数,所以热电势得到了很大的增强,而且电导和热导率强烈地违背
Wiedemann-Franz定律,因此热电转换效率得到了很大的提高。当温度
升高时,调节点间隧穿耦合到较大的值时同样可以得到一个非常高的
热电转换效率。另外我们也讨论了点间耦合的不对称参数和点内库仑
作用对热电输运的影响。最后,我们考虑了一个耦合到左端正常金属
电极和右端超导电极的量子点系统,并研究了这一系统的局域发热特
性。在点与电极弱耦合情形下,我们发现发热量并不正比于电流,而且
可以通过调节门电压、偏压和温度来控制。我们讨论了装置的最佳工
作状态所对应的参数区域。在高温情形下,我们发现吸收一个声子的
声子辅助的Andreev隧穿(或者是声子辅助的直接隧穿)可以导致发热
量成为负数。负的发热量表明当电流流过量子点时热流是从声子系统
流向电子系统的。所以从应用的角度来看,这种装置可以作为一个局
域量子冰箱来使用。【关键词】：量子点热电效应局域发热Dicke效应
Andreev隧穿
【学位授予单位】：山西大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：O471.1
【目录】：中文摘要8-10ABSTRACT10-13第一章引言13-451.1量子
点及其输运特性13-211.1.1量子点简介13-141.1.2.量子点中的电子输
运特性14-211.1.2.1库仑阻塞效应(CoulumbBlokade)15-161.1.2.2近藤
效应(Kondoeffect)16-171.1.2.3Dicke效应17-211.2局域发热效应
21-241.3热电效应24-331.3.1传统体材料中的热电效应25-261.3.2纳
米系统中的热电效应26-311.3.3热自旋效应31-331.4本文概述33-35
参考文献35-45第二章量子输运的非平衡格林函数方法45-612.1非平
衡格林函数45-492.1.1非平衡格林函数的定义45-462.1.2Lengreth定
理46-482.1.3求解格林函数的运动方程方法48-492.2电流的普遍表达
式49-532.3热流公式和Onsager关系53-562.4发热量(Heatgeneration)
的一般表达式56-59参考文献59-61第三章耦合双量子点中自旋相关
的热电输运61-793.1引言61-623.2模型与公式62-653.3数值结果和
讨论65-733.3.1不存在自旋累积和库仑相互作用的情形66-703.3.2不
存在自旋累积而存在库仑作用的情形70-723.3.3存在自旋累积的情形
72-733.4本章小结73-74参考文献74-79第四章耦合三量子点中Dicke
效应对热电输运的影响79-1014.1引言79-804.2模型与公式80-824.3
数值结果和讨论82-944.3.1能级间距△的影响83-884.3.2点间耦合的
影响88-924.3.3库仑作用的影响92-944.4本章小结94-96参考文献
96-101第五章金属-量子点-超导体系中电流的发热特性101-1195.1引
言101-1025.2Andreev反射介绍102-1045.3模型与公式104-1075.4数
值结果和讨论107-1135.5本章小结113-114参考文献114-119第六章
总结与展望119-121附录A推导小于格林函数G~121-123附录B电
极的推迟格林函数和自能123-127攻读博士学位期间发表的学术论文
127-129致谢129-131个人简况及联系方式131-135
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