Диссертация (1097781), страница 17
Текст из файла (страница 17)
Íåäîñòàòî÷íî èçó÷åíû îñîáåííîñòè òóííåëüíîãî ýëåêòðîííîãî è ñïèíîâîãî òðàíñïîðòà ÷åðåç ñâÿçàííûå ëîêàëèçîâàííûå ñîñòîÿíèÿ, îáðàçîâàííûå èíäèâèäóàëüíûìè ïðèìåñíûìè àòîìàìè èëè êâàíòîâûìèòî÷êàìè.  ïðåäñòàâëåííûõ ðàáîòàõ øèðîêî èññëåäîâàíû çàâèñèìîñòè òóííåëüíîé ïðîâîäèìîñòè èëè âîëüò-àìïåðíûå õàðàêòåðèñòèêèïðè èçìåíåíèè â óçêîì äèàïàçîíå òîëüêî îäíîãî èëè íåñêîëüêèõ ïàðàìåòðîâ ñèñòåìû.Îòñóòñòâóþò ðàáîòû, â êîòîðûõ ïðîâåäåíî êîìïëåêñíîå èññëåäîâàíèå òóííåëüíîé ïðîâîäèìîñòè â çàâèñèìîñòè îò âåëè÷èí àìïëèòóäòóííåëüíûõ ïåðåõîäîâ, îò âåëè÷èíû è çíàêà ðàññòðîéêè ìåæäó óðîâíÿìè ýíåðãèè, îò ïîëîæåíèÿ óðîâíåé ýíåðãèè îòíîñèòåëüíî óðîâíÿÔåðìè, îò âåëè÷èíû êóëîíîâñêèõ êîððåëÿöèé.5.
Îñíîâíàÿ ìàññà èññëåäîâàíèé ïîñâÿùåíà ñèñòåìàì ñâÿçàííûõ êâàíòîâûõ òî÷åê, â êîòîðûõ íå ìîæåò îäíîâðåìåííî íàõîäèòüñÿ áîëåå äâóõ ýëåêòðîíîâ.  ñèñòåìàõ ñ áîëüøèì êîëè÷åñòâîì ýëåêòðîíîâ íàêëàäûâàþòñÿ äîïîëíèòåëüíûå îãðàíè÷åíèÿ íà ñîñòîÿíèÿâ áåðåãàõ òóííåëüíîãî êîíòàêòà, êîòîðûå ïðåäïîëàãàþòñÿ ñïèíïîëÿðèçîâàííûìè èëè ôåððîìàãíèòíûìè.
Äàæå ñ òàêèìè ñïåöèôè÷åñêèìè îãðàíè÷åíèÿìè î÷åíü ðåäêî óäàåòñÿ ïîëó÷èòü îáëàñòè ñ îòðèöàòåëüíîé òóííåëüíîé ïðîâîäèìîñòüþ äëÿ âûäåëåííîãî íàáîðà ïàðàìåòðîâ ñèñòåìû.766. Îòñóòñòâóþò ìîäåëè, êîòîðûå ìîæíî áûëî áû èñïîëüçîâàòü äëÿ îïèñàíèÿ ðåàëüíûõ ñèñòåì. Òî åñòü ìîäåëè, ãäå âåëè÷èíó êóëîíîâñêîãîâçàèìîäåéñòâèÿ ìîæíî èçìåíÿòü â øèðîêîì äèàïàçîíå, ÷òîáû îíà áûëà ñîïîñòàâèìà ñ ðàññòîÿíèåì ìåæäó óðîâíÿìè ýíåðãèé â êâàíòîâûõòî÷êàõ.7.
Îñíîâíàÿ ÷àñòü ðàáîò, ïîñâÿùåííûõ èññëåäîâàíèþ ýëåêòðîííîãîòðàíñïîðòà â ñèñòåìàõ ñâÿçàííûõ êâàíòîâûõ òî÷åê â ðåæèìå êâàíòîâîãî íàñîñà, îïèñûâàåò àäèàáàòè÷åñêèå íàñîñû íà îñíîâå äâóõ èëèòðåõ ñâÿçàííûõ êâàíòîâûõ òî÷åê èëè îòíîñèòñÿ ê ñèñòåìàì, íàçûâàåìûì òóðíèêåòàìè.  êà÷åñòâå ïðè÷èí òðàíñïîðòà ýëåêòðîíîâ âòàêèõ ñèñòåìàõ îáû÷íî ðàññìàòðèâàþò ýôôåêò êóëîíîâñêîé áëîêàäû è/èëè ïåðèîäè÷åñêîå èçìåíåíèå âî âðåìåíè âíåøíèõ ïàðàìåòðîâñèñòåìû: íàïðÿæåíèÿ íà êîíòàêòå, ïîëîæåíèÿ óðîâíåé ýíåðãèè, ìîäóëÿöèþ øèðèíû è âûñîòû òóííåëüíûõ áàðüåðîâ.8. Íåàäèàáàòè÷åñêèé ýëåêòðîííûé òðàíñïîðò áûë èññëåäîâàí òîëüêîâ ãèáðèäíûõ ñòðóêòóðàõ ìåòàëë-ñâåðõïðîâîäíèê - êâàíòîâûõ òóðíèêåòàõ. Íå áûëî ïðåäëîæåíî ìîäåëåé, ïîçâîëÿþùèõ îñóùåñòâëÿòüíåàäèàáàòè÷åñêèé òðàíñïîðò â ñâÿçàííûõ ïîëóïðîâîäíèêîâûõ êâàíòîâûõ òî÷êàõ.9.
Íåáîëüøîå ÷èñëî ïóáëèêàöèé ïîñâÿùåíî èññëåäîâàíèþ íåñòàöèîíàðíûõ ïðîöåññîâ â ñâÿçàííûõ êâàíòîâûõ òî÷êàõ, âçàèìîäåéñòâóþùèõñ ñîñòîÿíèÿìè íåïðåðûâíîãî ñïåêòðà, ïðè íàëè÷èè êóëîíîâñêèõ êîððåëÿöèé è ýëåêòðîí-ôîíîííîãî âçàèìîäåéñòâèÿ. Ïðè èññëåäîâàíèèðåëàêñàöèè çàðÿäà â ñâÿçàííûõ êâàíòîâûõ òî÷êàõ áûëè îáíàðóæåíûòîëüêî äâà õàðàêòåðíûõ ìàñøòàáà, îïðåäåëÿþùèõ âðåìåííóþ ýâîëþöèþ çàðÿäà. Òðè âðåìåííûõ ìàñøòàáà áûëè íàéäåíû ëèøü ïðèîïèñàíèè ýëåêòðîííîãî òðàíñïîðòà â îäíîé êâàíòîâîé òî÷êå ñ êóëîíîâñêèì âçàèìîäåéñòâèåì.10. Ïðè àíàëèçå íåëèíåéíûõ ñâîéñòâ âîëüò-àìïåðíûõ õàðàêòåðèñòèê ñâÿçàííûõ êâàíòîâûõ òî÷åê áûë èçó÷åí òîëüêî ýôôåêò áèñòàáèëüíîñòè.Ïðè ýòîì íåò ðàáîò, â êîòîðûõ áûëî áû èññëåäîâàíî âîçíèêíîâåíèåáèôóðêàöèé. Ýôôåêò ïëåíåíèÿ çàðÿäà áûë îáíàðóæåí è èññëåäîâàíòîëüêî â ñèñòåìàõ, ñîñòîÿùèõ èç îäíîé èëè äâóõ êâàíòîâûõ òî÷åê.
Íå77áûëî ðàññìîòðåíî ÿâëåíèå ïëåíåíèÿ çàðÿäà â ñèñòåìàõ, ñîñòîÿùèõ èçáîëüøîãî ÷èñëà êâàíòîâûõ òî÷åê.11. Ìàëî èññëåäîâàíî âëèÿíèå ýëåêòðîí-ôîíîííîãî âçàèìîäåéñòâèÿ íàâðåìåííóþ ýâîëþöèþ çàðÿäà â êâàíòîâûõ òî÷êàõ. Îñíîâíàÿ ÷àñòü âûïîëíåííûõ èññëåäîâàíèé èññëåäóåò âîïðîñ îá îñîáåííîñòÿõ, âîçíèêàþùèõ â äèôôåðåíöèàëüíîé ïðîâîäèìîñòè ñèñòåìû êâàíòîâûõ òî÷åê,ïðè íàëè÷èè ýëåêòðîí-ôîíîííîãî âçàèìîäåéñòâèÿ. Íåò ðàáîò, ïîñâÿùåííûõ ìèêðîñêîïè÷åñêîìó àíàëèçó âëèÿíèÿ ýëåêòðîí-ôîíîííîãîâçàèìîäåéñòâèÿ íà ñêîðîñòü ðåëàêñàöèè çàðÿäîâîãî ñîñòîÿíèÿ.12. Ðàáîòû, ïîñâÿùåííûå àíàëèçó îñîáåííîñòåé íåðàâíîâåñíîãî íåñòàöèîíàðíîãî ýëåêòðîííîãî òðàíñïîðòà â ñèñòåìàõ ñâÿçàííûõ êâàíòîâûõòî÷åê, íå ó÷èòûâàþò êîððåëÿöèè ëîêàëèçîâàííûõ ýëåêòðîíîâ ñ ýëåêòðîíàìè ïðîâîäèìîñòè â áåðåãàõ òóííåëüíîãî êîíòàêòà.Òàêèì îáðàçîì, ñóùåñòâóþùèå ìåòîäû òåîðåòè÷åñêîãî àíàëèçà íåðàâíîâåñíûõ íàíîñòðóêòóð ñ ñèëüíûìè ýëåêòðîííûìè êîððåëÿöèÿìè íå ïîçâîëÿþò îïèñàòü íàáëþäàåìûå îñîáåííîñòè ýëåêòðîííîãî òðàíñïîðòà â ñëó÷àå,êîãäà âåëè÷èíà êóëîíîâñêîãî âçàèìîäåéñòâèÿ ñîïîñòàâèìà ñ ðàññòîÿíèåììåæäó îäíîýëåêòðîííûìè óðîâíÿìè ýíåðãèè ëîêàëèçîâàííûõ ñîñòîÿíèéèëè ñ øèðèíàìè óðîâíåé, îáóñëîâëåííûìè òóííåëüíîé ñâÿçüþ ñ ñîñòîÿíèÿìè íåïðåðûâíîãî ñïåêòðà.
Ñîîòâåòñòâåííî, âîçíèêàåò ïðîáëåìà ðàçâèòèÿâçàèìîñâÿçàííûõ òåîðåòè÷åñêèõ ïîäõîäîâ è ìåòîäîâ êîððåêòíîãî îïèñàíèÿîñîáåííîñòåé íåñòàöèîíàðíîãî ýëåêòðîííîãî òðàíñïîðòà â íåðàâíîâåñíûõíàíîñòðóêòóðàõ ñ ñèëüíûìè ýëåêòðîííûìè êîððåëÿöèÿìè áåç ââåäåíèÿ ìàëîãî ïàðàìåòðà ïî âåëè÷èíå êóëîíîâñêîãî âçàèìîäåéñòâèÿ. Íà îñíîâàíèèïðåäñòàâëåííûõ âûâîäîâ ïî èññëåäîâàíèþ íåðàâíîâåñíûõ ýôôåêòîâ è îñîáåííîñòåé íåñòàöèîíàðíîãî ýëåêòðîííîãî òðàíñïîðòà â íàíîñòðóêòóðàõ ïðèíàëè÷èè ñèëüíîãî ìåæ÷àñòè÷íîãî âçàèìîäåéñòâèÿ ñôîðìóëèðîâàíû öåëü èçàäà÷è äèññåðòàöèîííîé ðàáîòû.78Ãëàâà 2Èññëåäîâàíèå ïðîñòðàíñòâåíîãî ðàñïðåäåëåíèÿëîêàëüíîé òóííåëüíîé ïðîâîäèìîñòè íà ïîâåðõíîñòèïîëóïðîâîäíèêîâûõ êðèñòàëëîâ â ïðèñóòñòâèèêóëîíîâñêèõ êîððåëÿöèé ëîêàëèçîâàííûõ ýëåêòðîíîâ íàñòîÿùåå âðåìÿ ÑÒÌ/ÑÒÑ ÿâëÿåòñÿ îäíèì èç íàèáîëåå ìîùíûõìåòîäîâ ïî èññëåäîâàíèþ âëèÿíèÿ ëîêàëèçîâàííûõ ñîñòîÿíèé, îáðàçîâàííûõ ïðèìåñíûìè àòîìàìè è äåôåêòàìè íà ïîâåðõíîñòè, íà ëîêàëüíóþïëîòíîñòü ïîâåðõíîñòíûõ ñîñòîÿíèé.
Ïðàâèëüíàÿ èíòåðïðåòàöèÿ ýêñïåðèìåíòàëüíûõ ðåçóëüòàòîâ òðåáóåò ñðàâíåíèÿ ñ òåîðåòè÷åñêèìè ðàñ÷åòàìè,ïðîâåäåííûìè äëÿ ìîäåëüíûõ ñèñòåì, ÷òî â ñîâîêóïíîñòè ïîçâîëèò èñïîëüçîâàòü òóííåëüíûå èçìåðåíèÿ êàê ìåòîä êîíòðîëÿ çà ñîñòîÿíèÿìè åäèíè÷íûõ ïðèìåñíûõ àòîìîâ è äåôåêòîâ è èìååò ïðèíöèïèàëüíîå çíà÷åíèå äëÿîïðåäåëåíèÿ è îïèñàíèÿ ñâîéñòâ ïðèáîðîâ â òâåðäîòåëüíîé ýëåêòðîíèêå.Ïîíèìàíèå îñîáåííîñòåé ýëåêòðîííîãî òðàíñïîðòà ÷åðåç çàðÿäîâûåëîêàëèçîâàííûå ñîñòîÿíèÿ ïîçâîëèò ðåàëèçîâàòü óñòðîéñòâà äëÿ ïåðåäà÷è,õðàíåíèÿ è êîäèðîâàíèÿ èíôîðìàöèè íà áàçå îòäåëüíûõ ïðèìåñíûõ àòîìîâ[69, 70].
Âàæíûì ýòàïîì íà ïóòè ðåàëèçàöèè ýòîé çàäà÷è ÿâëÿåòñÿ ñîçäàíèå íàíîñòðóêòóð ñ çàòâîðàìè íà áàçå îäèíè÷íûõ ïðèìåñíûõ àòîìîâ, äëÿêîòîðûõ ìîæíî ìîäèôèöèðîâàòü ýíåðãåòè÷åñêèé ñïåêòð çà ñ÷åò âçàèìîäåéñòâèÿ ñ ñîñòîÿíèÿìè íåïðåðûâíîãî ñïåêòðà îêðóæåíèÿ èëè èçìåíåíèÿïîëîæåíèÿ ïðèìåñè â ïîëóïðîâîäíèêîâîé ìàòðèöå. Îäíîé èç îñíîâíûõ è äîñèõ ïîð íå ðåøåííûõ ïðîáëåì â ýòîé îáëàñòè ÿâëÿåòñÿ ïðîáëåìà àäåêâàòíîãî îïèñàíèÿ òóííåëüíûõ ïðîöåññîâ ìåæäó óðîâíÿìè ýíåðãèè ïðèìåñíûõàòîìîâ è ñîñòîÿíèÿìè íåïðåðûâíîãî ñïåêòðà ðåçåðâóàðîâ [72].Îáû÷íî ïðè ðàñ÷åòàõ ëîêàëüíîé ïëîòíîñòè ïîâåðõíîñòíûõ ñîñòîÿíèé íå ïðèíèìàþò âî âíèìàíèå èçìåíåíèÿ ëîêàëüíîé ïëîòíîñòè ñîñòîÿíèéíåïðåðûâíîãî ñïåêòðà, âûçâàííûå íàëè÷èåì ëîêàëèçîâàííûõ ñîñòîÿíèé íàèññëåäóåìîé ïîâåðõíîñòè.
Îäíàêî, ó÷åò èçìåíåíèÿ ëîêàëüíîé ïëîòíîñòèñîñòîÿíèé íåïðåðûâíîãî ñïåêòðà ïðèâîäèò ê âîçíèêíîâåíèþ ïðèíöèïèàëüíî íîâûõ îñîáåííîñòåé â ëîêàëüíîé òóííåëüíîé ïðîâîäèìîñòè [268]. Èññëå-79äîâàíèå ïðîñòðàíñòâåííîé çàâèñèìîñòè òóííåëüíîé ïðîâîäèìîñòè ïîçâîëèò ïîíÿòü ôóíäàìåíòàëüíûå ïðè÷èíû âîçíèêíîâåíèÿ òèïè÷íûõ îñîáåííîñòåé â ñïåêòðàõ òóííåëüíîãî òîêà, èçìåðåííûõ â îêðåñòíîñòè ëîêàëèçîâàííûõ ñîñòîÿíèé ïðè íàëè÷èè êóëîíîâñêîãî âçàèìîäåéñòâèÿ, õàðàêòåðíûõ äëÿ ðàçëè÷íûõ òèïîâ ïðèìåñíûõ àòîìîâ (ìåëêèõ è ãëóáîêèõ ïðèìåñåé) [269272]. 2.1. Ïðîñòðàíñòâåííîå ðàñïðåäåëåíèå ýëåêòðîííîé ïëîòíîñòèñîñòîÿíèé âáëèçè ïðèìåñíûõ àòîìîâ íà ïîâåðõíîñòè ïîëóïðîâîäíèêîâÈññëåäóåì âëèÿíèå îòäåëüíîãî ïðèìåñíîãî àòîìà, ðàñïîëîæåííîãî âóçëå àòîìíîé ðåøåòêè, íà ëîêàëüíóþ ïëîòíîñòü ïîâåðõíîñòíûõ ñîñòîÿíèéâ ïîëóïðîâîäíèêå [268].
Ðàññìîòðèì ìîäåëü äâóìåðíîé àíèçîòðîïíîé àòîìíîé ðåøåòêè (ðèñ.), ñîñòîÿùåé èç àòîìîâ îäíîãî òèïà ñ óðîâíÿìè ýíåðãèè ε1 è ïðèìåñíûì àòîìîì â îäíîì èç óçëîâ ðåøåòêè ñ óðîâíåì ýíåðãèèεd . Àìïëèòóäó ïåðåõîäîâ âäîëü àòîìíîé öåïî÷êè ìåæäó ñîñåäíèìè óçëàìè ðåøåòêè ñ àòîìàìè îäíîãî òèïà áóäåì ïîëàãàòü îäèíàêîâîé è ðàâíîét. Âçàèìîäåéñòâèå ìåæäó àòîìàìè ñîñåäíèõ öåïî÷åê áóäåì îïèñûâàòü àìïëèòóäîé ïåðåõîäà T , êîòîðàÿ èìååò îäíî è òîæå çíà÷åíèå äëÿ âñåõ àòîìîâñîñåäíèõ öåïî÷åê. Ðàññòîÿíèå ìåæäó àòîìàìè âäîëü öåïî÷êè áóäåì ñ÷èòàòüðàâíûì a, à ìåæäó àòîìàìè ñîñåäíèõ öåïî÷åê - b.
Àìïëèòóäà ïåðåõîäà èçóçëà ðåøåòêè, â êîòîðîì ðàñïîëîæåí ïðèìåñíûé àòîì, â áëèæàéøèå óçëû âäîëü àòîìíîé öåïî÷êè ðàâíà τ , à â áëèæàéøèå óçëû â íàïðàâëåíèèïåðïåíäèêóëÿðíîì àòîìíîé öåïî÷êå ℑ (ðèñ.).2.12.1Ðèñ. 2.1 . Ìîäåëü äâóìåðíîé àòîìíîé ðåøåòêè ñ ïðèìåñíûì àòîìîì â îäíîì èç óçëîâ.Ïðåäñòàâëåííàÿ ìîäåëü ìîæåò áûòü îïèñàíà ñ ïîìîùüþ ãàìèëüòîíèàíà:Ĥ = Ĥ0 + Ĥimp + Ĥtun(2.1)80â êîòîðîìĤ0 =∑εi c+i ci +i∑tc+i cj +<i,j>∑T c+k cl + h.c.(2.2)<k,l>îïèñûâàåò äâóìåðíóþ àòîìíóþ ðåøåòêó áåç ïðèìåñè ñ ïåðåõîäàìè+ìåæäó ñîñåäíèìè óçëàìè.
Îïåðàòîðû c+k/l /ck/l è ci/j /ci/j ñîîòâåòñòâóþòðîæäåíèþ/óíè÷òîæåíèþ ýëåêòðîíîâ â óçëàõ ðåøåòêè. Èíäåêñû i, j îòíîñÿòñÿ ê íàïðàâëåíèþ âäîëü àòîìíûõ öåïî÷åê, à èíäåêñû k , l ê íàïðàâëåíèþïåðïåíäèêóëÿðíîìó àòîìíûì öåïî÷êàì.Òóííåëüíûé ãàìèëüòîíèàíĤtun =∑τ c+i cd +∑i,dℑc+k cd + h.c.(2.3)k,dîïèñûâàåò ïåðåõîäû ýëåêòðîíîâ ìåæäó ïðèìåñíûì àòîìîì è ñîñåäíèìè àòîìàìè â ðåøåòêå.ÎïåðàòîðĤimp =∑εd c+d cd(2.4)dîïèñûâàåò ëîêàëèçîâàííîå ñîñòîÿíèå, îáðàçîâàííîå ïðèìåñíûì àòîìîì â îäíîì èç óçëîâ ðåøåòêè.
Îïåðàòîðû c+d /cd ñîîòâåòñòâóþò ðîæäåíèþ/óíè÷òîæåíèþ ýëåêòðîíîâ â ëîêàëèçîâàííîì ñîñòîÿíèè.Âûðàæåíèå äëÿ ëîêàëüíîé ïëîòíîñòè ñîñòîÿíèé, ñîäåðæàùåå çàâèñèìîñòü îò ðàññòîÿíèÿ âäîëü àòîìíîé öåïî÷êè, ïðè íàëè÷èè ïðèìåñíîãîàòîìà â îäíîì èç åå óçëîâ èìååò âèä [268]:∑1iκx x −iκx1 xGRρ(ω, x) = − Ime(2.5)κx κx1 (ω)eπ κx ,κx1ãäå x-ðàññòîÿíèå, îòñ÷èòûâàåìîå îò ìåñòà ïîëîæåíèÿ ïðèìåñíîãî àòîìà âäîëü öåïî÷êè.
Ôóíêöèÿ Ãðèíà GRκx ,κx1 (ω) îïèñûâàåò èçìåíåíèÿ ñîñòîÿíèé íåïðåðûâíîãî ñïåêòðà ïîëóïðîâîäíèêà, âûçâàííûå ïðèñóòñòâèåì ëîêàëèçîâàííîãî ñîñòîÿíèÿ, îáðàçîâàííîãî ïðèìåñíûì àòîìîì, è ìîæåò áûòüíàéäåíà èç ñèñòåìû óðàâíåíèé Äàéñîíà:0R0RRGRkk1 (ω) = Gkk (ω) + Gkk (ω)τ Gdk1 (ω)0RGRdk1 (ω) = Gdd (ω)τ∑k2GRk2 k1 (ω)(2.6)81Ââåäåì îáîçíà÷åíèå äëÿ ñêîðîñòè ðåëàêñàöèè:γ = τ2∑G0Rkk(2.7)kÒîãäà â ñëó÷àå îäíîðîäíîé îäíîìåðíîé àòîìíîé öåïî÷êè ñ ïðèìåñíûì àòîìîì äëÿ çàâèñèìîñòè ëîêàëüíîé ïëîòíîñòè ñîñòîÿíèé íåïðåðûâíîãî ñïåêòðà îò ðàññòîÿíèÿ ρvol (ω, x) ïîëó÷àåì âûðàæåíèå:(ω − εd )2 + γ 2 · (1 − cos(2k(ω)x)ρvol (ω, x) = ρ0 (ω) ·(ω − εd )2 + γ 2(2.8)ßâíûé âèä çàâèñèìîñòè k(ω) ìîæåò áûòü íàéäåí èç çàêîíà äèñïåðñèèäëÿ àòîìíîé öåïî÷êè:εk = 2t cos(ka)(2.9)Äëÿ ðàñ÷åòà ëîêàëüíîé ïëîòíîñòè ïîâåðõíîñòíûõ ñîñòîÿíèé ïîìèìî âêëàäà îò ëîêàëüíîé ïëîòíîñòè ñîñòîÿíèé íåïðåðûâíîãî ñïåêòðà, íåîáõîäèìî ó÷åñòü òàêæå âêëàä â ïëîòíîñòü ñîñòîÿíèé îò ïðèìåñíîãî àòîìàρimp (ω).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
