Автореферат (Неравновесные эффекты и нестационарный электронный транспорт в полупроводниковых наноструктурах с межчастичным взаимодействием), страница 7

Äëÿ ñèñòåìû óðàâíåíèé(30), êîòîðàÿ îïèñûâàåò âðåìåííóþ ýâîëþöèþ ëîêàëèçîâàííîãî çàðÿäà âñâÿçàííûõ êâàíòîâûõ òî÷êàõ ìîæíî ïîëó÷èòü òî÷íîå àíàëèòè÷åñêîå ðåøåíèå.Îñîáåííîñòè ðåëàêñàöèè èññëåäîâàíû äëÿ ðàçëè÷íîãî ðàñïðåäåëåíèÿçàðÿäà â ñèñòåìå â íà÷àëüíûé ìîìåíò âðåìåíè è äëÿ ðàçëè÷íûõ ñîîòíîøåíèé ìåæäó ïàðàìåòðàìè ñèñòåìû: ïîëîæåíèåì óðîâíåé ýíåðãèè, âåëè÷èíàìè êóëîíîâñêîãî âçàèìîäåéñòâèÿ è ñîîòíîøåíèåì ìåæäó àìïëèòóäîéòóííåëüíûõ ïåðåõîäîâ (T ) è ñêîðîñòüþ ðåëàêñàöèè â ñîñòîÿíèÿ íåïðåðûâíîãî ñïåêòðà (γ ).

 ñëó÷àå, êîãäà â íà÷àëüíûé ìîìåíò âðåìåíè çàðÿä âñèñòåìå ðàâíîìåðíî ðàñïðåäåëåí ìåæäó êâàíòîâûìè òî÷êàìè, ïðåäëîæåííûé òåîðåòè÷åñêèé ïîäõîä ïîçâîëèë ïðåäñêàçàòü ýôôåêò äèíàìè÷åñêîãîïëåíåíèÿ çàðÿäà, êîòîðûé ÿâëÿåòñÿ ïðÿìûì ñëåäñòâèåì íàëè÷èÿ â ñèñòåìå êóëîíîâñêèõ êîððåëÿöèé (ðèñ.13à).30ачисла заполнениячисла заполнениябÐèñ. 13. Âðåìåííàÿ ýâîëþöèÿ ÷èñåë çàïîëíåíèÿ ïðè íàëè÷èè êóëîíîâñêîãî âçàèìîäåéñòâèÿ â ïåðâîé à). è âî âòîðîé á). êâàíòîâûõ òî÷êàõ. ×åðíàÿ ëèíèÿ ñîîòâåòñòâóåò ïàðàìåòðàì U11 /γ = 0; U12 /γ = U21 /γ = 0; U22 /γ = 0, êðàñíàÿ ëèíèÿñîîòâåòñòâóåò ïàðàìåòðàì U11 /γ = 1, 8; U12 /γ = U21 /γ = 1, 3; U22 /γ = 1, 5; ñèíÿÿëèíèÿ ñîîòâåòñòâóåò ïàðàìåòðàì - U11 /γ = 10, 0; U12 /γ = U21 /γ = 4, 0; U22 /γ = 8, 0.Íà÷àëüíûé çàðÿä ëîêàëèçîâàí â îáåèõ êâàíòîâûõ òî÷êàõ (n1 (0) = 1; n2 (0) = 1).Çíà÷åíèÿ ïàðàìåòðîâ T /γ = 0, 6, γ = 1, 0 è ξ/γ = −0, 8 îäèíàêîâû. Çîíû ïëàòîîáîçíà÷åíû îâàëàìè.числа заполненияn1(t)Çàâèñèìîñòè ÷èñåë çàïîëíåíèÿ îò âðåìåíè äåìîíñòðèðóþò ôîðìèðîâàíèå ïëàòî âî âðåìåííîé ýâîëþöèè ÷èñåë çàïîëíåíèÿ â ïåðâîé êâàíòîâîé òî÷êå íà ïåðâîì ýòàïå ðåëàêñàöèè (ðèñ.13à).

Íàëè÷èå ïëàòî îçíà÷àåò,÷òî çàðÿä îñòàåòñÿ ëîêàëèçîâàííûì â ïåðâîé òî÷êå èç-çà òîãî, ÷òî óðîâåíü ýíåðãèè âî âòîðîé òî÷êå çàïîëíåí. Ðåëàêñàöèÿ çàðÿäà èç ïåðâîé òî÷êè (òî÷êè íå ñâÿçàííîé íàïðÿìóþ ñ ðåçåðâóàðîì) âî âòîðóþ íà÷èíàåòñÿòîëüêî ïðè óñëîâèè, ÷òî óðîâåíü ýíåðãèè âî âòîðîé êâàíòîâîé òî÷êå îïóñòîøàåòñÿ íàïîëîâèíó èç-çà ïðÿìîãî òóííåëèðîâàíèÿ èç âòîðîé êâàíòîâîéòî÷êè â ñîñòîÿíèÿ íåïðåðûâíîãî ñïåêòðà ðåçåðâóàðà.

Íà ñëåäóþùåì ýòàïåðåëàêñàöèè ïðîèñõîäèò ôîðìèðîâàíèå ïëàòî â çàâèñèìîñòè ÷èñåë çàïîëíåíèÿ îò âðåìåíè âî âòîðîé êâàíòîâîé òî÷êå (ðèñ.13á). Âòîðîé ýòàï âðåìåííîé ýâîëþöèè ñîîòâåòñòâóåò ñìåíå ðåæèìîâ ðåëàêñàöèè â îáåèõ êâàíòîâûõòî÷êàõ è, ñëåäîâàòåëüíî, èçìåíåíèþ âåëè÷èí ñêîðîñòåé ðåëàêñàöèè çàðÿäà. Ðåëàêñàöèÿ çàðÿäà â òî÷êàõ íà òðåòüåì ýòàïå ïðîèñõîäèò ñ îäèíàêîâîéγ2ñêîðîñòüþ áëèçêîé ê âåëè÷èíå γnonres = γres · γ 2 +ξ)2.Ðèñ. 14. Âðåìåííàÿ ýâîëþöèÿ ÷èñåë çàïîëíåíèÿ â ïåðâîé êâàíòîâîé òî÷êå n1 (t)ïðè íàëè÷èè êóëîíîâñêîãî âçàèìîäåéñòâèÿ.T /γ = 0, 6, γ = 1.31ξ+U1 −U2γ∼ 1 (U1 − U2 )/γ = 10, ξ/γ = −7, Ãëàâå 7 ïîêàçàíî, ÷òî â ñâÿçàííûõ êâàíòîâûõ òî÷êàõ ñ êóëîíîâñêèìè êîððåëÿöèÿìè ñóùåñòâóåò îñîáûé ðåæèì ðåëàêñàöèè çàðÿäà ñ ðåçêèìóìåíüøåíèåì àìïëèòóäû è ïîñëåäóþùèì ïî÷òè ïîëíûì åå âîññòàíîâëåíèåì, âûçâàííûé íàëè÷èåì â ñèñòåìå êóëîíîâñêèõ êîððåëÿöèé ëîêàëèçîâàííûõ ýëåêòðîíîâ (ðèñ.14).Èç òðåòüåãî è ÷åòâåðòîãî óðàâíåíèé ñèñòåìû (30) ñëåäóåò, ÷òî èçìåíåíèå ýôôåêòèâíîé ðàññòðîéêè ìåæäó óðîâíÿìè ýíåðãèé â òî÷êàõ îïðå⟨n̂−σ (t)n̂σ12 (t)⟩äåëÿåòñÿ âåëè÷èíîé (U1 − U2 )Re[ 1 ⟨n̂σ (t)⟩], îòëè÷àþùåéñÿ îò òèïè÷íîãî12âûðàæåíèÿ äëÿ ðàññòðîéêè, ïîëó÷åííîãî â ïðèáëèæåíèè ñðåäíåãî ïîëÿ(U1 − U2 )⟨n̂−σi (t)⟩.

Òàêèì îáðàçîì, èìåííî êóëîíîâñêèå êîððåëÿöèè ëîêàëèçîâàííûõ ýëåêòðîíîâ ïðèâîäÿò ê ïîÿâëåíèþ ðåçêîãî ãëóáîêîãî ïðîâàëàñ ïîñëåäóþùèì âîññòàíîâëåíèåì àìïëèòóäû ÷èñåë çàïîëíåíèÿ, êîòîðîå íåíàáëþäàëîñü ïðè àíàëèçå âðåìåííîé ýâîëþöèè çàðÿäà, ïðîâåäåííîì ìåòîäîì ñðåäíåãî ïîëÿ.Îñíîâíûå ðåçóëüòàòû è âûâîäûÍà îñíîâàíèè ïðîâåäåííûõ èññëåäîâàíèé è ïðåäñòàâëåííûõ â äèññåðòàöèîííîé ðàáîòå ðåçóëüòàòîâ, ñôîðìóëèðóåì îñíîâíûå âûâîäû:1.

Ïðåäëîæåí òåîðåòè÷åñêèé ïîäõîä, ïîçâîëèâøèé èññëåäîâàòü õàðàêòåðíûé âèä îñîáåííîñòåé ïðîñòðàíñòâåííîãî ðàñïðåäåëåíèÿ ëîêàëüíîé ýëåêòðîííîé ïëîòíîñòè â îêðåñòíîñòè ïîâåðõíîñòíûõ ëîêàëèçîâàííûõ ñîñòîÿíèé, îáðàçîâàííûõ îòäåëüíûìè ïðèìåñíûìè àòîìàìè ñêóëîíîâñêèì âçàèìîäåéñòâèåì ïðè ñóùåñòâîâàíèè íåñêîëüêèõ êàíàëîâ äëÿ òóííåëèðîâàíèÿ ýëåêòðîíîâ. Ïðîäåìîíñòðèðîâàíî, ÷òî êóëîíîâñêîå âçàèìîäåéñòâèå ëîêàëèçîâàííûõ ýëåêòðîíîâ ïðèâîäèò ê ìîäèôèêàöèè ôîðìû è øèðèíû ëèíèè ðåçîíàíñíûõ îñîáåííîñòåé.2. Ïðåäëîæåíà òåîðåòè÷åñêàÿ ìîäåëü, ïîçâîëèâøàÿ îáúÿñíèòü ìèêðîñêîïè÷åñêóþ ïðèðîäó íèçêî÷àñòîòíîãî øóìà ñî ñïåêòðîì 1/f α â òóííåëüíîì êîíòàêòå, ñâÿçàííîãî ñ ñîñòîÿíèÿìè, ëîêàëèçîâàííûìè íàïîâåðõíîñòè ïîëóïðîâîäíèêîâ, è èññëåäîâàòü îñîáåííîñòè ñïåêòðàëüíîé ïëîòíîñòè òóííåëüíîãî òîêà â øèðîêîì äèàïàçîíå íàïðÿæåíèé íàêîíòàêòå.

Îáíàðóæåíî, ÷òî â ñëó÷àå íåðåçîíàíñíîãî òóííåëèðîâàíèÿìåæäó ëîêàëèçîâàííûìè ñîñòîÿíèÿìè ïðè ó÷åòå êóëîíîâñêîãî âçàèìîäåéñòâèÿ ïðîèñõîäèò ôîðìèðîâàíèå ñèíãóëÿðíûõ îñîáåííîñòåé ââûñîêî÷àñòîòíîé îáëàñòè ñïåêòðà òóííåëüíîãî òîêà.3. Ðàçâèò ïîäõîä, ïîçâîëÿþùèé àíàëèçèðîâàòü ýëåêòðîííûé òðàíñïîðòè òóííåëüíûå õàðàêòåðèñòèêè ñèëüíî êîððåëèðîâàííûõ ñèñòåì ñíåñêîëüêèìè óðîâíÿìè ýíåðãèè è òî÷íî ó÷èòûâàþùèé êóëîíîâñêèåêîððåëÿöèè ëîêàëèçîâàííûõ ýëåêòðîíîâ.

Ïîêàçàíî, ÷òî êóëîíîâñêèåêîððåëÿöèè â äâóõóðîâíåâîé ñèñòåìå ïðèâîäÿò ê ôîðìèðîâàíèþ èíâåðñíîé çàñåëåííîñòè è âûçûâàþò ìíîãîêðàòíîå ïåðåðàñïðåäåëåíèåçàðÿäà ìåæäó îäíîýëåêòðîííûìè ñîñòîÿíèÿìè ñèñòåìû. Îáíàðóæåíî32ôîðìèðîâàíèå îòðèöàòåëüíîé òóííåëüíîé ïðîâîäèìîñòè, îáóñëîâëåíîå êóëîíîâñêèìè êîððåëÿöèÿìè.4. Ïîêàçàíî, ÷òî ïîëíûå ýëåêòðîííûå ÷èñëà çàïîëíåíèÿ â ñèñòåìå ñèëüíî ñâÿçàííûõ êâàíòîâûõ òî÷åê ìîãóò óìåíüøàòüñÿ ñ ðîñòîì âåëè÷èíû íàïðÿæåíèÿ èç-çà êóëîíîâñêèõ êîððåëÿöèé ëîêàëèçîâàííûõýëåêòðîíîâ.

Îáíàðóæåíû ýôôåêòû ïåðåðàñïðåäåëåíèÿ çàðÿäà ìåæäóäâóõýëåêòðîííûìè ñîñòîÿíèÿìè ñ ðàçëè÷íûìè ñïèíîâûìè êîíôèãóðàöèÿìè è óñòàíîâëåíî, ÷òî äëÿ îïðåäåëåííûõ çíà÷åíèé ïàðàìåòðîâñèñòåìû âîçíèêàåò èíâåðñíàÿ çàñåëåííîñòü, êîãäà çàïîëíåíèå òðèïëåòíîãî ñîñòîÿíèÿ ïðåâîñõîäèò çàïîëíåíèå ñèíãëåòíîãî ñîñòîÿíèÿ.5. Òåîðåòè÷åñêè îáîñíîâàíà âîçìîæíîñòü ñîçäàíèÿ íîâîãî êëàññà ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ïðèáîðîâ, ïðèíöèï ðàáîòû êîòîðûõ îñíîâàí íà ïðîòåêàíèè íåñòàöèîíàðíîãî òóííåëüíîãî òîêà ÷åðåç ñèñòåìó ñâÿçàííûõêâàíòîâûõ òî÷åê, âçàèìîäåéñòâóþùèõ ñ ñîñòîÿíèÿìè íåïðåðûâíîãîñïåêòðà. Òàêèå óñòðîéñòâà ìîãóò áûòü èñïîëüçîâàíû â êà÷åñòâå ýòàëîíà òîêà.6. Ïðåäëîæåí ìåòîä îïèñàíèÿ ðåëàêñàöèè çàðÿäà â ñâÿçàííûõ êâàíòîâûõ òî÷êàõ, âçàèìîäåéñòâóþùèõ ñ ñîñòîÿíèÿìè íåïðåðûâíîãîñïåêòðà ðåçåðâóàðà, ïîçâîëèâøèé ó÷åñòü êóëîíîâñêîå è ýëåêòðîíôîíîííîå âçàèìîäåéñòâèå.

Èññëåäîâàíû îñîáåííîñòè âðåìåííîé ýâîëþöèè çàðÿäà, ëîêàëèçîâàííîãî â ñâÿçàííûõ êâàíòîâûõ òî÷êàõ. Âñèñòåìå ñâÿçàííûõ êâàíòîâûõ òî÷åê ñ êóëîíîâñêèì âçàèìîäåéñòâèåìîáíàðóæåí è èññëåäîâàí áèôóðêàöèîííûé ðåæèì ðåëàêñàöèè çàðÿäà. Ïîêàçàíî, ÷òî ìîìåíò ðåçêîé ñìåíû ñêîðîñòè ðåëàêñàöèè ìîæíîâàðüèðîâàòü, èçìåíÿÿ ïàðàìåòðû ñèñòåìû. Ïðîäåìîíñòðèðîâàíî, ÷òîýëåêòðîí-ôîíîííîå âçàèìîäåéñòâèå ïðèâîäèò ê óâåëè÷åíèþ ñêîðîñòèðåëàêñàöèè çàðÿäà.7. Ïðåäëîæåíà è èññëåäîâàíà ñèñòåìà ñâÿçàííûõ êâàíòîâûõ òî÷åêñ êóëîíîâñêèìè êîððåëÿöèÿìè, âçàèìîäåéñòâóþùàÿ ñ ñîñòîÿíèÿìèíåïðåðûâíîãî ñïåêòðà, â êîòîðîé ñ ðîñòîì ÷èñëà òî÷åê ïðîèñõîäèò èçìåíåíèå êèíåòèêè ðåëàêñàöèè çàðÿäà.

 òàêîé ñèñòåìå çàðÿäïðàêòè÷åñêè ïîëíîñòüþ îñòàåòñÿ ëîêàëèçîâàííûì â íà÷àëüíîé òî÷êå, íåñìîòðÿ íà íàëè÷èå äèññèïàöèè â ñèñòåìå; ïðîöåññ ìîæíî ðàññìàòðèâàòü êàê ”ïëåíåíèå” çàðÿäà, à ñèñòåìó êâàíòîâûõ òî÷åê - êàê”çàðÿäîâóþ ëîâóøêó”.8. Ðàçðàáîòàí íîâûé ïîäõîä òåîðåòè÷åñêîãî îïèñàíèÿ íåñòàöèîíàðíîãîýëåêòðîííîãî òðàíñïîðòà â ñâÿçàííûõ êâàíòîâûõ òî÷êàõ ïðè íàëè÷èèñèëüíûõ êóëîíîâñêèõ êîððåëÿöèé.  ðàçâèòîì ïîäõîäå òî÷íî ó÷òåíûêóëîíîâñêèå êîððåëÿöèè ëîêàëèçîâàííûõ ýëåêòðîíîâ âî âñåõ ïîðÿäêàõ ïî âçàèìîäåéñòâèþ. Ïðåäëîæåííûé ïîäõîä ïîçâîëèë ïðåäñêàçàòüýôôåêò äèíàìè÷åñêîãî ïëåíåíèÿ çàðÿäà è âûÿâèòü îñîáûé ðåæèì ðåëàêñàöèè çàðÿäà ñ ðåçêèì óìåíüøåíèåì àìïëèòóäû è ïîñëåäóþùèìïî÷òè ïîëíûì åå âîññòàíîâëåíèåì.33Ïîëó÷åííûå â äèññåðòàöèîííîé ðàáîòå ðåçóëüòàòû ïîçâîëèëè îáúÿñíèòü ïðèðîäó îñîáåííîñòåé íåðàâíîâåñíîãî ýëåêòðîííîãî òðàíñïîðòà â íàíîñòðóêòóðàõ, òàêèõ êàê: íèçêî÷àñòîòíûå ñèíãóëÿðíîñòè â ñïåêòðàõ òóííåëüíîãî òîêà, âîçíèêíîâåíèå îòðèöàòåëüíîé òóííåëüíîé ïðîâîäèìîñòè,”âêëþ÷åíèå” è ”âûêëþ÷åíèå” ïðèìåñíûõ àòîìîâ â ñïåêòðàõ òóííåëüíîãîòîêà, âîçíèêíîâåíèå îñöèëëÿöèé ëîêàëüíîé ïëîòíîñòè ñîñòîÿíèé â îêðåñòíîñòè ïîâåðõíîñòíûõ íèçêîðàçìåðíûõ ñòðóêòóð.

 ðàáîòå ïðåäñêàçàí ðÿäýôôåêòîâ, ñâÿçàííûõ c ñèëüíûìè ìåæ÷àñòè÷íûìè êîððåëÿöèÿìè, êîòîðûå ìîãóò áûòü ïðèìåíåíû äëÿ êîíòðîëÿ çà ëîêàëüíûìè õàðàêòåðèñòèêàìè ýëåêòðîííîãî òðàíñïîðòà â íàíîñòðóêòóðàõ, äëÿ ñîçäàíèÿ èçëó÷àòåëåé,ãåíåðèðóþùèõ èìïóëüñû çàäàííîé ÷àñòîòû è äëÿ êîíñòðóèðîâàíèÿ ýëåìåíòîâ äèíàìè÷åñêîé ïàìÿòè. Ðàçâèòà òåîðèÿ íåñòàöèîíàðíîãî ýëåêòðîííîãîòðàíñïîðòà â ñèñòåìàõ ñ ñèëüíûì ìåæ÷àñòè÷íûì âçàèìîäåéñòâèåì, îïèñûâàþùàÿ îñîáåííîñòè ïåðåõîäíûõ ïðîöåññîâ â ïîëóïðîâîäíèêîâûõ íàíîñòðóêòóðàõ. Íà îñíîâå ðåçóëüòàòîâ, ïîëó÷åííûõ â ðàìêàõ ðàçðàáîòàííîéòåîðèè, ìîãóò áûòü ñîçäàíû îáðàòèìûå çàðÿäîâûå ïåðåêëþ÷àòåëè è íîâûéêëàññ ïðèáîðîâ - íåàäèàáàòè÷åñêèå ýëåêòðîííûå íàñîñû.Îñíîâíûå ðåçóëüòàòû îïóáëèêîâàíû â ñëåäóþùèõ ðàáîòàõ:[A1] V.N.

Mancevich, A.I. Oreshkin, S.I. Oreshkin, I.V. Radchenko,S.V. Savinov, N.S. Maslova, D.A. Muzychenko and V.I. Panov/ 1/f α tunnelingcurrent noise characteristics in the vicinity of individual impurity atoms onclean InAs(110) surface // Proceedings of 14-th International Symposium”Nanostructures: Physics and Technology”, Saint-Petersburg. 2006. Pp. 154155.[A2] A.I. Oreshkin, V.N. Mantsevich, N.S. Maslova, D.A.Muzychenko, S.I. Oreshkin, V.I.

Panov, S.V. Savinov, P.I. Arseev/ Theinuence of dierent impurity atoms on 1/f α tunneling current noisecharacteristics on InAs (110) surface // Ïèñüìà â ÆÝÒÔ. 2007. Ò.85,  11,Ññ. 4651.[A3]V.N. Mantsevich, A.I. Oreshkin, S.I. Oreshkin, S.V. Savinov,N.S. Maslova, D.A. Muzychenko and V.I.

Panov/ Atomic-scale study of theimpurity atoms eect on the 1/f α noise characteristics of the tunneling currentfrom individual InAs(110) atomic sites // Proceedings of 15-th InternationalSymposium ”Nanostructures: Physics and Technology”, Saint-Petersburg. 2007.Pp. 336337.[A4]V.N. Mantsevich, N.S. Maslova/ The inuence of localizedstate charging on 1/f α tunneling current noise spectrum // Solid StateCommunications. 2008.

V.147, Pp. 278283.[A5]Â.Í. Ìàíöåâè÷, Ä.À. Ìóçû÷åíêî, À.È. Îðåøêèí, Ñ.È. Îðåøêèí, Â.È. Ïàíîâ, Í.Ñ. Ìàñëîâà, Ñ.Â. Ñàâèíîâ/ Èññëåäîâàíèå ñïåêòðàëüíûõ õàðàêòåðèñòèê òóííåëüíîãî òîêà â ïðèñóòñòâèè ïðèìåñíûõ àòîìîâ íàïîâåðõíîñòè ìîíîêðèñòàëëà InAs (110) ìåòîäîì ñêàíèðóþùåé òóííåëüíîéìèêðîñêîïèè // Òåçèñû XV ìåæäóíàðîäíîé êîíôåðåíöèè ñòóäåíòîâ, àñïèðàíòîâ è ìîëîäûõ ó÷åíûõ ”Ëîìîíîñîâ”, Ìîñêâà. 2008. Ñ. 22.34, N.S. Maslova, A.I. Oreshkin, S.I. Oreshkin,D.A. Muzychenko, V.I.