Диссертация (Неравновесные эффекты и нестационарный электронный транспорт в полупроводниковых наноструктурах с межчастичным взаимодействием), страница 14

 ðåçîíàíñå ñèñòåìà âåäåòñåáÿ êàê ýôôåêòèâíûé ýëåêòðîííûé íàñîñ èç-çà îñöèëëÿöèé Ðàáè ìåæäóòî÷êàìè. Ýëåêòðîííûé òîê ÷åðåç íàñîñ ïðèíèìàåò ìàêñèìàëüíîå çíà÷åíèå,êîãäà âåëè÷èíà ñâÿçè äâîéíîé êâàíòîâîé òî÷êè ñ áåðåãàìè òóííåëüíîãîêîíòàêòà ïðèíèìàåò çíà÷åíèå ðàâíîå ÷àñòîòå Ðàáè. Íà âîëüò-àìïåðíûõ õàðàêòåðèñòèêàõ ñèñòåìû îáíàðóæåíû ðåçêèå ñêà÷êè, êîòîðûå ñîîòâåòñòâóþòðàñùåïëåíèþ Ðàáè è âåëè÷èíå ýíåðãèè êóëîíîâñêîãî âçàèìîäåéñòâèÿ.Àâòîðû [205] ðàññìàòðèâàþò ýëåêòðîííûé íàñîñ, îñíîâàííûé íà ñèñòåìå äâóõ ñëàáî ñâÿçàííûõ êâàíòîâûõ òî÷åê, âçàèìîäåéñòâóþùèõ ñ áåðåãàìè òóííåëüíîãî êîíòàêòà. Ýëåêòðîí ìîæåò òóííåëèðîâàòü ÷åðåç ïðîìåæóòî÷íóþ ñèñòåìó ïðè íóëåâîì íàïðÿæåíèè íà êîíòàêòå, êîãäà ñèñòåìà ïîäâåðãàåòñÿ âîçäåéñòâèþ âíåøíåãî ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ,âîçáóæäàþùåãî êâàíòîâûå òî÷êè.

Âîçáóæäåííîå ñîñòîÿíèå ìîæåò ðàñïàäàòüñÿ çà ñ÷åò ïåðåäà÷è çàðÿäà ìåæäó áåðåãàìè êîíòàêòà.  çàâèñèìîñòè îò ýíåðãèè ïðîìåæóòî÷íîé ñèñòåìû, êîòîðàÿ êîíòðîëèðóåòñÿ íàïðÿæåíèåì íà çàòâîðå, ýëåêòðîííûé òðàíñïîðò ÿâëÿåòñÿ íåêîãåðåíòíûì â ðåæèìå ïîñëåäîâàòåëüíîãî òóííåëèðîâàíèÿ èëè êîãåðåíòíûì â ðåæèìå êîòóííåëèðîâàíèÿ. Ðåæèì êî-òóííåëèðîâàíèÿ ìîæíî îñóùåñòâèòü òîëüêî âñëó÷àå, êîãäà ó÷òåíî êóëîíîâñêîå âçàèìîäåéñòâèå ìåæäó ýëåêòðîíàìè, ëîêàëèçîâàííûìè â ðàçíûõ êâàíòîâûõ òî÷êàõ. Ïîñòîÿííûé òóííåëüíûé òîêìîæíî êîíòðîëèðîâàòü, èçìåíÿÿ ÷àñòîòó èçëó÷åíèÿ.

Àâòîðû ïîêàçàëè, ÷òîïîñòîÿííûé òóííåëüíûé òîê ìîæåò ïðîòåêàòü â îòñóòñòâèè ïîñòîÿííîãîíàïðÿæåíèÿ íà êîíòàêòå, åñëè â ñèñòåìå ïåðèîäè÷åñêè èçìåíÿþòñÿ ñî âðåìåíåì àìïëèòóäû òóííåëüíûõ áàðüåðîâ. ðàáîòå [206] ïîêàçàíî, ÷òî äëÿ ïðàêòè÷åñêîé ðåàëèçàöèè ýëåêòðîííîãî íàñîñà íåîáõîäèìî èñïîëüçîâàòü ÿâëåíèå êóëîíîâñêîé áëîêàäû. Àâòîðû ïðåäëîæèëè ñõåìó äëÿ ñîçäàíèÿ îäíîâðåìåííî ñïèíîâîãî ôèëüòðà èñïèíîâîãî íàñîñà. Èññëåäîâàíèå ñèñòåìû ïðîâåäåíî ñ èñïîëüçîâàíèåì ìåòîäà ìàòðèöû ïëîòíîñòè.

Âðåìåííàÿ ýâîëþöèÿ ïðîàíàëèçèðîâàíà â òåðìèíàõñîáñòâåííûõ ñîñòîÿíèé è ñîáñòâåííûõ ôóíêöèé èçîëèðîâàííûõ êâàíòîâûõòî÷åê. Ïîëó÷åíî âûðàæåíèå äëÿ òóííåëüíîãî òîêà ÷åðåç äâå ñâÿçàííûåêâàíòîâûå òî÷êè, ïîêàçàíî ÷òî ñïèíîâóþ ïîëÿðèçàöèþ òóííåëüíîãî òîêàìîæíî êîíòðîëèðîâàòü, âàðüèðóÿ íàïðÿæåíèå íà òóííåëüíîì êîíòàêòå èèçìåíÿÿ àìïëèòóäó è ÷àñòîòó ïåðåìåííîãî âíåøíåãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ. Áûëî ïîêàçàíî, ÷òî åñëè ïðîìåæóòî÷íàÿ òóííåëüíàÿ ñèñòåìà ñîäåðæèò äâóõ÷àñòè÷íûå ñîñòîÿíèÿ, òî òóííåëüíûé òîê ÷åðåç íàñîñ ìîæåò áûòü ïîëíî-64ñòüþ ïîëÿðèçîâàííûì, äàæå åñëè áåðåãà òóííåëüíîãî êîíòàêòà íå ÿâëÿþòñÿ ñïèí-ïîëÿðèçîâàííûìè.

Òàêæå ïðîäåìîíñòðèðîâàíî, ÷òî íàñîñ ìîæåòáûòü ðåàëèçîâàí êàê íà ñèíãëåòíûõ, òàê è íà òðèïëåòíûõ ñîñòîÿíèÿõ âçàâèñèìîñòè îò âåëè÷èíû ïðèëîæåííîé ÷àñòîòû.Îáùåå ïðèáëèæåíèå, îïèñûâàþùåå àäèàáàòè÷åñêèå ýëåêòðîííûå íàñîñû íà îñíîâå ñâÿçàííûõ êâàíòîâûõ òî÷åê â ðåæèìå êóëîíîâñêîé áëîêàäûâ øèðîêîì äèàïàçðíå òåìïåðàòóð, ïðåäëîæåíî â ðàáîòå [207]. Êâàíòîâàÿòî÷êà îïèñûâàåòñÿ ìîäåëüþ Àíäåðñîíà, â êîòîðîé ïîëîæåíèå ýëåêòðîííîãîóðîâíÿ ýíåðãèè çàâèñèò îò âðåìåíè.

Ïåðèîäè÷åñêîå èçìåíåíèå âî âðåìåíèíàïðÿæåíèé, ïðèëîæåííûõ ê áåðåãàì òóííåëüíîãî êîíòàêòà, è ïîëîæåíèÿóðîâíÿ ýíåðãèè ïðèâîäèò ê ïîÿâëåíèþ ýôôåêòà ýëåêòðîííîãî íàñîñà. Ïîëó÷åíî âûðàæåíèå äëÿ âåëè÷èíû òóííåëüíîãî òîêà, çàâèñÿùåãî îò âðåìåíè,è ïðîàíàëèçèðîâàíî ïîâåäåíèå òóííåëüíîé ïðîâîäèìîñòè â ñëó÷àå ñèììåòðè÷íîãî òóííåëüíîãî êîíòàêòà ïðè óñëîâèè áåñêîíå÷íî áîëüøîé âåëè÷èíûêóëîíîâñêîãî âçàèìîäåéñòâèÿ.Ýôôåêò êóëîíîâñêîé áëîêàäû áûë òàêæå èñïîëüçîâàí äëÿ ñîçäàíèÿíåàäèàáàòè÷åñêèõ ýëåêòðîííûõ êâàíòîâûõ íàñîñîâ íà îñíîâå ãèáðèäíûõñòðóêòóð ìåòàëë-ñâåðõïðîâîäíèê [208, 209]. Òàêèå ñèñòåìû â áîëüøåé ñòåïåíè ïðåäñòàâëÿþò èç ñåáÿ òóðíèêåòû, à íå íàñîñû, ïîñêîëüêó êâàíòîâàííûé òîê, êîòîðûé ïðÿìî ïðîïîðöèîíàëåí ÷àñòîòå çàòâîðà, ïîÿâëÿåòñÿ ïðè êîíå÷íûõ (íåíóëåâûõ) çíà÷åíèÿõ ïðèëîæåííîãî íàïðÿæåíèÿ.

 ðàáîòå [209] èññëåäîâàí îäíîýëåêòðîííûé òðàíçèñòîð íà îñíîâå ñòðóêòóðûìåòàëë-ñâåðõïðîâîäíèê. Ïîêàçàíî, ÷òî òàêóþ ñòðóêòóðó ìîæíî ðàññìàòðèâàòü êàê ìåòðîëîãè÷åñêèé èñòî÷íèê òîêà. Äëÿ äîñòèæåíèÿ íóæíîãî óðîâíÿ òóííåëüíîãî òîêà íåîáõîäèìî èñïîëüçîâàíèå íåñêîëüêèõ ïàðàëëåëüíûõóñòðîéñòâ (òóðíèêåòîâ). Ïðèìåíåíèå òàêèõ íàíîóñòðîéñòâ â ìåòðîëîãèèîáóñëîâëåíî âîçìîæíîñòüþ ïîäàâëåíèÿ øóìîâ. Óðîâåíü øóìîâ, äîñòóïíûéâ ñèñòåìàõ òèïà òóðíèêåò, íå óäàåòñÿ äîñòè÷ü â àäèàáàòè÷åñêèõ íàñîñàõ èççà íàëè÷èÿ òàêîãî èñòî÷íèêà ôëóêòóàöèè, êàê ôëóêòóàöèè çàðÿäà, èñõîäíîëîêàëèçîâàííîãî â ñèñòåìå.Ïðè íèçêèõ òåìïåðàòóðàõ òóðíèêåòû ìîæíî èñïîëüçîâàòü êàê ñòàíäàðòû òîêà â íàíîñòðóêòóðàõ è ñòðóêòóðàõ ïîíèæåííîé ðàçìåðíîñòè [210].Àâòîðû [211] èññëåäîâàëè àäèàáàòè÷åñêèé çàðÿäîâûé íàñîñ íà îñíîâåòðåõ ñâÿçàííûõ êâàíòîâûõ òî÷åê, âçàèìîäåéñòâóþùèõ ñ áåðåãàìè òóííåëüíîãî êîíòàêòà, â ðåæèìå ñèëüíîé êóëîíîâñêîé áëîêàäû.

Äëÿ àíàëèçà ïîâåäåíèÿ ñèñòåìû èñïîëüçîâàíû óðàâíåíèÿ äâèæåíèÿ äëÿ ìàòðèöû ïëîòíî-65ñòè. Ïîêàçàíî, ÷òî ìåäëåííîå èçìåíåíèå âî âðåìåíè âåëè÷èíû ñâÿçè ìåæäóòî÷êàìè ïðèâîäèò ê àäèàáàòè÷åñêîìó èçìåíåíèþ ïîëîæåíèé ýëåêòðîííûõóðîâíåé ýíåðãèè â êâàíòîâûõ òî÷êàõ. Çàâèñÿùåå îò âðåìåíè ïåðåðàñïðåäåëåíèå çàðÿäà â ñèñòåìå, ñâÿçàííîå ñ èçìåíåíèåì óðîâíåé ýíåðãèé, ïðèâîäèòê âîçíèêíîâåíèþ íåñòàöèîíàðíîãî àäèàáàòè÷åñêîãî òóííåëüíîãî òîêà. ðàáîòå [212] èññëåäîâàíèå íåñòàöèîíàðíîãî òóííåëüíîãî òðàíñïîðòà â ñèñòåìå ñ èçìåíÿþùèìèñÿ ïàðàìåòðàìè ïðîâåäåíî ñ èñïîëüçîâàíèåìïðèáëèæåíèÿ ìàòðèöû ðàññåÿíèÿ.

Àâòîðû ñìîãëè îáîáùèòü îïèñàíèå îñîáåííîñòåé àäèàáàòè÷åñêîãî ýëåêòðîííîãî òðàíñïîðòà â êâàíòîâûõ íàñîñàõíà ñëó÷àé âûñîêèõ ÷àñòîò è áîëüøèõ àìïëèòóä íàêà÷êè. Îñíîâíûì èñïîëüçîâàííûì â ðàáîòå [212] ïðèáëèæåíèåì ÿâëÿåòñÿ äåëüòà-îáðàçíàÿ ôîðìàïîòåíöèàëüíûõ áàðüåðîâ.Òàêèì îáðàçîì, áîëüøèíñòâî ðàáîò, ïîñâÿùåííûõ èññëåäîâàíèÿì îñîáåííîñòåé ýëåêòðîííîãî òðàíñïîðòà â êâàíòîâûõ íàñîñàõ è òóðíèêåòàõîòíîñèòñÿ ê àäèàáàòè÷åñêîìó âíåøíåìó âîçäåéñòâèþ. Íåàäèàáàòè÷åñêèéýëåêòðîííûé òðàíñïîðò áûë ðàññìîòðåí òîëüêî â ãèáðèäíûõ ñòðóêòóðàõìåòàëë-ñâåðõïðîâîäíèê, à ìîäåëè, ïîçâîëÿþùèå îñóùåñòâëÿòü íåàäèàáàòè÷åñêèé òðàíñïîðò â ñâÿçàííûõ ïîëóïðîâîäíèêîâûõ êâàíòîâûõ òî÷êàõ âëèòåðàòóðå íå ïðåäñòàâëåíû.Ÿ 1.6.

Íåñòàöèîíàðíûå ýôôåêòû â íàíîñòðóêòóðàõ. Ðåëàêñàöèÿçàðÿäà â êâàíòîâûõ òî÷êàõÑåãîäíÿ íàíîýëåêòðîíèêà ÿâëÿåòñÿ äèíàìè÷íî ðàçâèâàþùåéñÿ îáëàñòüþ ñîâðåìåííîé ôèçèêè. Âàæíåéøåé çàäà÷åé â ýòîé îáëàñòè ÿâëÿåòñÿ êîíòðîëèðóåìîå ìàíèïóëèðîâàíèå ëîêàëèçîâàííûì çàðÿäîì â ñèñòåìàõñâåðõìàëûõ ðàçìåðîâ ñ öåëüþ ñîçäàíèÿ íèçêîðàçìåðíûõ ñòðóêòóð ñ çàäàííûìè ïàðàìåòðàìè ýëåêòðîííîãî òðàíñïîðòà äëÿ ïîñëåäóþùåãî âíåäðåíèÿâ òåõíîëîãè÷åñêóþ öåïî÷êó ïî ïðîèçâîäñòâó áàçîâûõ ýëåìåíòîâ òâåðäîòåëüíîé íàíîýëåêòðîíèêè [214,215].

Îäèíî÷íûå êâàíòîâûå òî÷êè, êîòîðûåíàçûâàþò èñêóñòâåííûìè àòîìàìè [216,217], è ñâÿçàííûå êâàíòîâûå òî÷êè- èñêóñòâåííûå ìîëåêóëû [218, 219], ÿâëÿþòñÿ ïåðñïåêòèâíûìè ñòðóêòóðàìè, êîòîðûå ìîæíî èñïîëüçîâàòü äëÿ ñîçäàíèÿ óñòðîéñòâ ñâåðõìàëûõ ðàçìåðîâ â ñâÿçè ñ âîçìîæíîñòüþ ïðîñòðàíñòâåííîé ëîêàëèçàöèè ýëåêòðîíîâíà ìàñøòàáàõ ïîðÿäêà 10 íì. Êðîìå òîãî, ñîâðåìåííûå òåõíîëîãèè ðîñòàêâàíòîâûõ òî÷åê ïîçâîëÿþò ñ âûñîêîé òî÷íîñòüþ êîíòðîëèðîâàòü òàêèå66ïàðàìåòðû ñèñòåìû êàê ðàçìåð, ôîðìà è ýíåðãåòè÷åñêèé ñïåêòð [72].Êðîìå ïîòåíöèàëüíîãî òåõíîëîãè÷åñêîãî ïðèìåíåíèÿ, êâàíòîâûå òî÷êè ÿâëÿþòñÿ èäåàëüíûìè îáúåêòàìè äëÿ èññëåäîâàíèÿ ôóíäàìåíòàëüíûõôèçè÷åñêèõ ïðîöåññîâ, òàêèõ êàê: ìíîãî÷àñòè÷íûå êîððåëÿöèè, ýëåêòðîííûé òðàíñïîðò è íåñòàöèîíàðíûå ýôôåêòû. Ñèñòåìû ñâÿçàííûõ êâàíòîâûõ òî÷åê çíà÷èòåëüíî îòëè÷àþòñÿ îò îäèíî÷íûõ êâàíòîâûõ òî÷åê èç-çàíàëè÷èÿ âîçìîæíîñòè èçìåíÿòü âåëè÷èíó òóííåëüíîé ñâÿçè ìåæäó òî÷êàìè [218, 220].

Ýòî ÿâëÿåòñÿ ôèçè÷åñêîé ïðè÷èíîé îáðàçîâàíèÿ íåëèíåéíîñòè â ñèñòåìå è, ñëåäîâàòåëüíî, ïðèâîäèò ê ñóùåñòâîâàíèþ òàêèõ ÿâëåíèé êàê áèôóðêàöèè [221] è áèñòàáèëüíîñòü [222]. Ñâÿçàííûå êâàíòîâûåòî÷êè ìîæíî èñïîëüçîâàòü äëÿ ñîçäàíèÿ ýëåêòðîííûõ óñòðîéñòâ, îñíîâàííûõ íà êâàíòîâîé êèíåòèêå èíäèâèäóàëüíûõ ëîêàëèçîâàííûõ ñîñòîÿíèé [204206, 223]. Ïðèìåíÿÿ ñâÿçàííûå êâàíòîâûå òî÷êè ìîæíî ñîçäàâàòüëîãè÷åñêèå ïåðåêëþ÷àòåëè, èñïîëüçóÿ ÿâëåíèå ñâåðõáûñòðîãî ïåðåêëþ÷åíèÿ ìåæäó äâóìÿ ñòàáèëüíûìè ñîñòîÿíèÿìè.

Êðîìå òîãî, ìåõàíèçì òóííåëèðîâàíèÿ ìåæäó ñâÿçàííûìè êâàíòîâûìè òî÷êàìè çàâèñèò íå òîëüêîîò ñâîéñòâ ñàìèõ òî÷åê, íî è îò âíåøíèõ óñëîâèé, â êîòîðûõ íàõîäèòñÿèññëåäóåìàÿ ñèñòåìà [224]. Ïîýòîìó îñîáåííîñòè ýëåêòðîííîãî è ñïèíîâîãîòðàíñïîðòà â ñâÿçàííûõ êâàíòîâûõ òî÷êàõ ñ ðàçëè÷íîé ïðîñòðàíñòâåííîéêîíôèãóðàöèåé àêòèâíî èññëåäóþòñÿ êàê ýêñïåðèìåíòàëüíî [225, 226], òàêè òåîðåòè÷åñêè [227, 228]. ðàáîòå [225] ïðîâåäåíû íèçêîòåìïåðàòóðíûå òóííåëüíûå ýêñïåðèìåíòàëüíûå èññëåäîâàíèÿ ñèñòåì èç äâóõ è òðåõ ñâÿçàííûõ êâàíòîâûõ òî÷åê ñ èçìåíÿþùåéñÿ âåëè÷èíîé òóííåëüíîé ñâÿçè. Ñ âîçðàñòàíèåì âåëè÷èíû ñâÿçè ïèêè â òóííåëüíîé ïðîâîäèìîñòè, ñîîòâåòñòâóþùèå ýôôåêòóêóëîíîâñêîé áëîêàäû, ðàñùåïëÿþòñÿ íà äâà èëè òðè ïèêà äëÿ ñëó÷àåâ ñèñòåìû èç äâóõ èëè òðåõ êâàíòîâûõ òî÷åê ñîîòâåòñòâåííî. Ðàñùåïëåíèå ïîçâîëèëî ýêñïåðèìåíòàëüíî îöåíèòü ïîëíóþ ýíåðãèþ âçàèìîäåéñòâèÿ ìåæäóêâàíòîâûìè òî÷êàìè.

Àâòîðû [226] ïîêàçàëè, ÷òî ïðîöåññ îäíîýëåêòðîííîãî òóííåëèðîâàíèÿ ÷åðåç ñâÿçàííûå êâàíòîâûå òî÷êè ðàçíûõ ðàçìåðîâîïðåäåëÿåòñÿ âåëè÷èíîé ýëåêòðîñòàòè÷åñêîãî âçàèìîäåéñòâèÿ ìåæäó êâàíòîâûìè òî÷êàìè. Ïðè íèçêèõ òåìïåðàòóðàõ â ðàáîòå [226] îáíàðóæåíî, ÷òîäâîéíàÿ êâàíòîâàÿ òî÷êà îáðàçóåò ñîñòîÿíèå ïîõîæåå íà ñîñòîÿíèå ìîëåêóëû. ðàáîòå [227] ïîêàçàíî, ÷òî òóííåëèðîâàíèå ýëåêòðîíîâ ìåæäó äâóìÿ êâàíòîâûìè òî÷êàìè ïðèâîäèò ê ñóùåñòâîâàíèþ îáëàñòè ïàðàìåòðîâ67ñèñòåìû (âåëè÷èíà òóííåëüíûõ ïåðåõîäîâ ìåæäó êâàíòîâûìè òî÷êàìè, âåëè÷èíà ñâÿçè ñ ñîñòîÿíèÿìè íåïðåðûâíîãî ñïåêòðà è âåëè÷èíà êóëîíîâñêîãî âçàèìîäåéñòâèÿ), â êîòîðîé ìîæíî íàáëþäàòü êàê êîëëåêòèâíóþ êóëîíîâñêóþ áëîêàäó, òàê è êóëîíîâñêóþ áëîêàäó êàæäîé èç êâàíòîâûõ òî÷åêè îáëàñòè, â êîòîðîé êóëîíîâñêàÿ áëîêàäà íå âîçíèêàåò.Àâòîðû [228] èññëåäîâàëè ýôôåêò êóëîíîâñêîé áëîêàäû ïðè òóííåëèðîâàíèè ÷åðåç äâå ñâÿçàííûå êâàíòîâûå òî÷êè.

Òåìïåðàòóðíàÿ çàâèñèìîñòü ëèíåéíîé ïðîâîäèìîñòè îïðåäåëÿåòñÿ âåëè÷èíîé òóííåëüíîé ñâÿçèòî÷åê.  ðàáîòå ïîêàçàíî, ÷òî ñ ðîñòîì âåëè÷èíû ñâÿçè ìåæäó òî÷êàìèäîëæåí ïðîèñõîäèòü ïåðåõîä îò ïîâåäåíèÿ ñèñòåìû, êîãäà ïðîâîäèìîñòüíå ÿâëÿåòñÿ ôóíêöèåé òåìïåðàòóðû, ê ïîâåäåíèþ, êîãäà ïðîèñõîäèò ñòåïåííîå ïîäàâëåíèå ïðîâîäèìîñòè. Ýôôåêò óìåíüøåíèÿ ïðîâîäèìîñòè îáúÿñíåí ïåðåðàñïðåäåëåíèåì çàðÿäà ìåæäó òî÷êàìè.