| License: Publishing license for publications excluding print on demand (8MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-opus-11506
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.12142
Alternative links to fulltext:Publisher
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) | ||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Series of the University of Regensburg: | Dissertationsreihe der Fakultät für Physik der Universität Regensburg | ||||||||||||
| Volume: | 5 | ||||||||||||
| Date: | 8 December 2009 | ||||||||||||
| Referee: | Prof. Dr. Klaus Richter | ||||||||||||
| Date of exam: | October 2008 | ||||||||||||
| Institutions: | Physics > Institute of Theroretical Physics > Chair Professor Richter > Group Klaus Richter | ||||||||||||
| Classification: |
| ||||||||||||
| Keywords: | Computersimulation , Transportprozess , Green-Funktion , Magnetisches Tunnelelement , Tunnelmagnetowiderstand , Magnetoelektronik , Tight-Binding , Matrixsortierung , anisotroper Tunnelmagnetowiderstand , quantum transport algorithms , matrix reordering , spintronics , anisotropic tunneling magnetoresistance , graphene | ||||||||||||
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 530 Physics | ||||||||||||
| Status: | Published | ||||||||||||
| Refereed: | Yes, this version has been refereed | ||||||||||||
| Created at the University of Regensburg: | Yes | ||||||||||||
| Item ID: | 12142 |
Abstract (English)
Both the field of spintronics - utilizing the spin degree of freedom of charge carriers - as well as the field of graphene - a single layer of graphite - offer promising perspectives for a future electronics. Theoretical studies of transport properties in such systems may help identifying new physical effects and applications. Such theoretical explorations however often encounter complex systems ...
Abstract (English)
Both the field of spintronics - utilizing the spin degree of freedom
of charge carriers - as well as the field of graphene - a single layer
of graphite - offer promising perspectives for a future electronics.
Theoretical studies of transport properties in such systems may help
identifying new physical effects and applications. Such theoretical
explorations however often encounter complex systems that do not allow
for an analytical solution, calling for advanced numerical techniques.
Hence, this thesis has two objectives: First, to develop generic
numerical transport algorithms and second, to investigate
spin-dependent transport in magnetic tunnel junctions and in
graphene nanoribbons.
This thesis is organized in two parts: The first part is devoted to
developing generic transport algorithms that can be applied to any
system described by a tight-binding Hamiltonian. To this end, a
pedagogical review of the non-equilibrium Greens function formalism
identifies problems that arise in computing the transport properties
of a tight-binding system. These problems are then solved in a generic
way, employing algorithms that can be readily applied to arbitrary
tight-binding systems. In particular, this thesis provides a rigorous
derivation of an explicit expression for the surface Greens function
of a lead, as well as a numerically stable way for evaluating this
expression. In addition, a generalized Fisher-Lee relation allows for
the calculation of the scattering matrix from the retarded Greens
function. Finally, a matrix-reordering algorithm based on graph
partitioning techniques allows for the application of well-established
quantum transport algorithms, originally developed for wires, to
arbitrary geometries and even multi-terminal systems.
The second part deals with spin-dependent transport in magnetic tunnel
junctions and graphene nanoribbons, making use of the numerical
techniques developed in the first part as well as analytical models in
order to capture the essential physics.
As an example of a prototypical spintronics device, the thesis
provides an investigation of magnetic field effects on the tunneling
anisotropic magnetoresistance effect in a magnetic tunnel junction
with a single ferromagnetic contact and an epitaxial semiconducting
barrier. The magnetic field dependence is found to be governed by the
Dresselhaus spin orbit coupling in the barrier, and numerical
simulations show good quantitative agreement with experiments.
In addition, this thesis discusses spin-dependent transport in
graphene nanoribbons. The prediction of edge state magnetism makes
zigzag graphene nanoribbons a promising candidate for graphene-based
spintronics. This thesis discusses methods of generating and detecting
spin currents in graphene-only devices. To this end, a thorough
discussion of edge state transport properties within various models
for graphene shows that a realistic description of edge state
transport must go beyond the commonly used nearest-neighbor
tight-binding model. These results are the basis for an investigation
of spin currents in zigzag graphene nanoribbons. In particular,
the spin current fluctuations are found to be universal, and
possible experimental setups for detecting spin currents in
graphene nanoribbons are discussed.
Translation of the abstract (German)
Sowohl das Gebiet der Spintronik, welches den Spin-Freiheitsgrad der Ladungsträger ausnutzt, als auch Graphen, eine einatomige Schicht von Kohlenstoffatomen, eröffnen interessante Perspektiven für eine zukünftige Elektronik. Theoretische Studien von Transporteigenschaften solcher Systeme können dabei helfen, neue physikalische Effekte und Anwendungen zu finden. Allerdings stoßen derartige ...
Translation of the abstract (German)
Sowohl das Gebiet der Spintronik, welches den Spin-Freiheitsgrad der
Ladungsträger ausnutzt, als auch Graphen, eine einatomige Schicht von
Kohlenstoffatomen, eröffnen interessante Perspektiven für eine
zukünftige Elektronik. Theoretische Studien von Transporteigenschaften
solcher Systeme können dabei helfen, neue physikalische Effekte und
Anwendungen zu finden. Allerdings stoßen derartige Untersuchungen
häufig auf komplexe Systeme, die nicht mehr durch analytische Methoden
gelöst werden können. Oftmals sind numerische Lösungsansätze dann
Methode der Wahl. Vor diesem Hintergrund hat diese Dissertation zwei
Ziele: zum einen die Entwicklung numerischer Transportalgorithmen und
zum anderen die Untersuchung spinabhängiger Transportphänomene in
magnetischen Tunnelkontakten und Graphen-Nanostreifen.
Die Dissertation gliedert sich in zwei Teile:
Der erste Teil beschäftigt sich mit der Entwicklung von numerischen
Algorithmen zur Lösung des Transportproblems in
Tight-binding-Systemen. Besonderes Augenmerk liegt dabei darauf,
dass diese Algorithmen generisch sind, und damit auf beliebige Systeme,
die durch einen Tight-binding-Hamiltonian beschrieben werden,
angewendet werden können. Im Rahmen eines Überblicks über etablierte
Quantentransportformalismen, insbesondere über den
Nichtgleichgewichts-Greensfunktionsformalismus, werden dazu
diejenigen Probleme herausgestellt, die bei der Berechnung von
Transporteigenschaften eines Tight-binding-Systems auftreten. Diese
Probleme werden dann in einer allgemeingültigen Art und Weise
gelöst. Die dabei entwickelten Algorithmen können dann auf beliebige
Tight-binding-Systeme angewendet werden. Insbesondere wird in dieser
Dissertation eine explizite Formel für die Oberflächen-Greensfunktion
einer Zuleitung hergeleitet, und ein numerisch stabiler Algorithmus
zur Auswertung dieser Formel entwickelt. Im Weiteren erfolgt eine
Verallgemeinerung der Fisher-Lee-Relation, die die Berechnung der
Streumatrix aus der Greensfunktion erlaubt. Außerdem wird ein
graphenbasierter Sortieralgorithmus für Matrizen entwickelt, mit
dessen Hilfe etablierte Quantentransportalgorithmen, die ursprünglich
für Quantendrähte entwickelt wurden, auf beliebige Geometrien mit
einer beliebigen Anzahl von Zuleitungen angewendet werden können.
Der zweite Teil beschäftigt sich mit spinabhängigen Transportphänomen
in magnetischen Tunnelkontakten und in Graphen-Nanostreifen. Dabei
werden die numerischen Techniken des ersten Teils und darüber hinaus
auch analytische Modelle verwendet, um die wesentlichen physikalischen
Effekte zu erfassen.
Als ein prototypisches Beispiel für Spintronik wird die
Magnetfeldabhängigkeit des anisotropen Tunnelmagnetowiderstands in
einem magnetischen Tunnelkontakt mit nur einem ferromagnetischen
Kontakt und einer epitaktischen Halbleiterbarriere untersucht. Dabei
zeigt sich, dass die Magnetfeldabhängigkeit hauptsächlich durch die
Dresselhaus-Spin-Bahn-Wechselwirkung hervorgerufen wird. Numerische
Simulationen ergeben überdies eine gute quantitative Übereinstimmung
mit entsprechenden Experimenten.
Im Weiteren werden spinabhängige Transportphänomene in
Graphen-Nanostreifen untersucht. Durch den in theoretischen Rechnungen
vorhergesagten Randzustandsmagnetismus bieten Graphen-Nanostreifen
vielversprechende Möglichkeiten für graphenbasierte Spintronik. Im
Rahmen der Dissertation wird insbesondere die Erzeugung und Detektion
von Spinströmen in Graphen diskutiert. Dazu werden zunächst die
Transporteigenschaften des Graphen-Randzustands in verschiedenen
Modellen für Graphen untersucht. Dabei zeigt sich, dass eine
realistische Beschreibung des Randzustands über das gewöhnlich
verwendete Nächste-Nachbarn-Modell hinausgehen muss. Ausgehend von
diesen Ergebnissen werden Spinströme in Graphen-Nanostreifen mit
Zigzag-Rändern untersucht. Dabei zeigen die Fluktuationen der
Spinströme ein universelles Verhalten. Außerdem werden mögliche
Experimente diskutiert, mit deren Hilfe Spinströme in
Graphen-Nanostreifen detektiert werden können.
Metadata last modified: 26 Nov 2020 11:19
Owner only: item control page
Download Statistics