Made available in DSpace on 2016-06-02T20:15:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 5844.pdf: 11430873 bytes, checksum: b80a5790a9ebf6ae63ff48e52968ae60 (MD5) Previous issue date: 2014-02-21 / Universidade Federal de Sao Carlos / O crescimento e caracterização de sistemas de heteroestruturas semicondutoras quasi-unidimensionais têm atraído grande interesse devido à sua potencial de aplicação tecnológica, como foto-detectores, dispositivos opto-eletrônicos assim como seu para o processamento de informação quântica e aplicações em fotônica. O objetivo desta tese é o estudo das propriedades de transporte eletrônico e de spin em sistemas semicondutores quasi-unidimensionais, especificamente trataremos de nanofios (NWs) homogêneos, NWs acoplados, NWs do tipo plano-geminado (TP), diodos de tunelamento ressonante (ETD) e cadeias de pontos quânticos (QDCS). Escolhemos o método k-p, particularmente o Hamiltoniano de Luttinger, para descrever os efeitos de confinamento e tensão biaxial. Este sugeriu uma modulação do caráter do estado fundamental que, complementada com a dinâmica fônons fornecidas pelas simulações da Dinâmica Molecular (MD), permitiu a descrição da modulação da mobilidade de buracos por emissão ou absorção de fônons. Em relação ao sistema de NWs acoplado,estudamos, através do método da matriz de transferência (TMM), as propriedades de transporte de elétrons e spin sob a interação de spin-órbita (SOI) de Eashba, localizada na região de acoplamento entre fios. Foram consideradas várias configurações de tensões de gate (Vg) aplicadas nos fios. Desse modo, compreendemos a modulação do transporte de spin quando esse é projetado no direção-z através da combinação do SOI e das dimensionalidades do sistema. Da mesma forma, a combinação de SOI e da Vg aplicada deu origem a modulação da polarização, quando o spin medido é projetado na mesma direção em que o SOI de Eashba atua, a direção y. Usando o TMM, exploramos as propriedades de transporte de um DBS e o efeito de uma resistência em série com o intuito de provar a natureza da biestabilidade das curvas características I V bem como o aumento de sua área com temperatura, resultados fornecidos por experimentos. O modelo indicou que aumentando da resistência pela diminuição sa temperatura aumenta a área biestável. A presença de uma hetero-junção adicional ao sistema induz uma densidade de carga nas suas interfaces. De acordo com esta configuração, a queda de tensão total do ETDS muda, podendo ser confirmada experimentalmente. A formação dos peculiares campos de deformação e sua influência sobre a estrutura eletrônicas e propriedades de transporte em superredes de TP foi estudada sistematicamente. Assim, as propriedades de transporte, de ambos os elétrons e buracos, pode ser sintonizada eficientemente, mesmo no caso de elétrons r em sistemas de blenda de zinco, contrastando com a prevista transparência de elétrons r em superredes de semicondutores III-V heteroestruturados. Além disso, constatamos que a probabilidade de transmissão para buracos da banda de valência também poderia ser efetivamente modificada através de uma tensão externa.Por fim, colaboradores sintetizaram com sucesso sistemas de QDCs de InGaAs através da epitaxia de feixe molecular e engenharia de tensão. Um comportamento anisotrópico da condutância com a temperatura foi observado em QDCs com diferentes concentrações de dopagem, medida realizada ao longo e entre os QDCs. O modelo teórico 1D de hoppíng desenvolvido mostrou que a presença de estados OD modela a resposta anisotrópica da condutância neste sistemas. / The growth and characterization of semiconductor quasi-one-dimensional heterostructure systems have attracted increasing interest due to their potential technological application, like photo-detectors, optoelectronic devices and their promising features for quantum information processing and photonic applications. The goal of this thesis is the study of electronic and spin transport properties on quasi-one-dimensional semiconductor systems; specifically, homogenous nanowires (NWs), coupled NW s, twin-plane (TP) NWs, resonant tunneling diodes (RTDs), and quantum dot chains (QDCs). The k-p method, in particular the Luttinger Hamiltonian, was chosen to describe the effects of biaxial confinement and strain. This suggested a modulation of the ground state character that, complemented with the phonon dynamics provided by Molecular Dynamics (MD) simulations, allowed the description of the hole mobility modulation by either phonon emission or absorption. Regarding the coupled NW s system, the electron and spin transport properties affected by a Rashba spin-orbit interaction (SOI) at the joined region were unveiled through the Transfer Matrix Method (TMM). Various configurations of gate voltages (Vg), applied on the wire structure, were considered. We were able to understand the modulation of the spin transport projected in the z-direction trough the combination of the SOI and the system dimensionalities. Likewise, the combination of SOI and applied Vg gave rise to a modulation of the polarization, when the measured spin is projected in the same direction where the Rashba SOI acts, the y-direction. The transport properties of a DBS and the effect of a resistance in series was explored within the TMM to prove the nature of a bistability of the I V characteristics and its enhanced area with temperature provided by the experiment. The model indicates that increasing the resistente by decreasing the temperature, the bistable area enhances. The presence of an additional heterojunction induces a sheet charge at its interfaces. Under this configuration, the total voltage drop of the RTD changes and can be confirmed experimentally.The formation of the peculiar strain fields and their influence on the electronic structure and transport properties of a TP superlattice was systematically studied. Hence, the transport properties of both electrons and holes could be effectively tuned even in the case of T-electrons of zincblende systems, contrasting to the predicted transparency of T-electrons in heterolayered III-V semiconductor superlattices. Also, the transmission probability for holes at valence band could also be effectively modified by applying an external stress. Finally, using molecular-beam-epitaxy and skillful strain engineering, systems of In-GaAs QDCs were successfully synthesized by collaborators. The QDCs with different doping concentrations showed an anisotropic behavior of the conductance, measured along and across the QDCs, with temperature. The theoretical ID hopping model developed found that the presence of OD states shapes the anisotropic response of the conductance in this system.

Em sistemas com acoplamento spin-órbita (SO) é possível manipular eletricamente o spin do elétron via a aplicação de um campo elétrico.1 Isso permite a potencial aplicação do grau de liberdade de spin (Spintronica) no desenvolvimento de novos dispositivos e tecnologias, como por exemplo na tecnologia da informação (computação quântica).2,3 No entanto, sabe-se que a interação SO causa efeitos indesejáveis, como por exemplo a relaxação e o defasamento de spin.4 Dessa maneira, do ponto de vista de aplicações, torna-se desejável maximizar o tempo de vida do spin. Neste trabalho, investigamos a relaxação de spin dos elétrons de condução em poços quânticos com duas sub-bandas5 crescidos ao longo das direções [001] e [110] via o mecanismo de D\'yakonov-Perel\'.6 Combinando teoria de grupos, o método k.p, a aproximação da função envelope e teoria de perturbação de Löwdin obtemos um Hamiltoniano efetivo para os elétrons da banda de condução na presença das interações SO de Rashba e Dresselhaus. Aqui, diferentemente de alguns trabalhos anteriores,7,8 além de incluir o termo cúbico de Dresselhaus, também levamos em conta as contribuições devido à influência da segunda sub-banda de mais baixa energia do poço. A partir deste Hamiltoniano derivamos expressões para os tempos de relaxação do spin e analisamos como estas novas contribuições (termos do acoplamento com a segunda sub-banda) afetam os tempos de vida dos spins. Comparamos os tempos de relaxação para as direções [001] com os calculados para a direção [110]. Nossos resultados mostram que as contribuições devido à segunda sub-banda são desprezíveis para ambas as direções. Mostramos também que o tempo de relaxação para a direção [110] é mais longo que o da [001], resultado consistente com experimentos9,10 e outros trabalhos teóricos anteriores.7 / In systems with spin-orbit (SO) coupling, it is possible to electrically manipulate the electron spin via applied gate voltages.1 This allows for the potential use of the spin degree of freedom (Spintronics) in the development of new devices and technologies, for instance information technology (quantum computing).2,3 It is known however, that the SO interaction leads to the undesired effect of causing spin relaxation and spin dephasing.4 Thus from the point of view of applications, it is desirable to maximize the spin lifetimes. Here, we investigate the spin relaxation of the conduction electrons in quantum wells with two sub-bands5 grown along the [001] and [110] directions via the D\'yakonov-Perel\' mechanism.6 By combining group theory, the k.p method, the envelope function approach and the Löwdin perturbation theory, we obtain an effective Hamiltonian for the conduction electrons in the presence of the Rashba and Dresselhaus SO interactions. Differently from some early works,7,8 in addition to the cubic Dresselhaus term, we also account for the contributions arising from the second lowest sub-band of the well. We derive expressions for the spin relaxation times and analyze how the new contributions (second sub-band terms) affect the spin lifetimes. We compare the relaxation times obtained in the [001] direction with those calculated for the [110] direction. Our results show that the contributions from the second sub-band are negligible for both directions. We also find that the relaxation time in the [110] direction is longer than the one in the [001], a result consistent with experiments9,10 and earlier theoretical works.7