4-2 量子结构库仑阻塞效应

库仑阻塞与状态量子化
量子点内能量不再是准连续态,而是 能隙可大于kBT值的一系列分离的准 零维态. 库仑作用使能级重整化,重整化后能 隙E*= E+e2/C, 如果量子点电容C 足够小, E*将主要由e2/C决定. 这样重整后: 间隙大大增加 更规则相间 自旋相反的两电子分离(退简并)
量子点旋转门器件
因而测量量子点电导,就会观察到其随栅压Vg振荡 振荡周期:
Vg e Cg
通常EN+1-EN<<e2/C, 振荡周期变为:e/Cg 如果我们在电荷传输过程中,测量库仑岛两端的电压,就会出 现周期性电压振荡现象. 每当一个电子转移到库仑岛时,岛两端电压发生e/C的跃变, 在量子点的I-V曲线上呈现一系列的库伦台阶,台阶宽度 V=e/C. 振荡频率:f=I/e 这种振荡---单电子隧穿振荡.( 基于库仑阻塞效应) 这个过程必须:kBT<<e2/C
在电极1 在电极1,2上分别加相位差180度,频率为f的交流调制信号 上分别加相位差180度 频率为f 180 来控制量子点接触QPC 的势垒高度. 来控制量子点接触QPC1,QPC2的势垒高度.
实际意义 发展单电子器件 数字逻辑电路;存储器; 数字逻辑电路;存储器;单电子晶体管 电子的维度被约束的越多,电子的波动性或量子性质就 会更突出.如量子点激光器比量子阱具有: 更低的阈值电流密度 更好的温度稳定性 更高的调制速率 更窄的谱线宽度 更小的噪音
样品做在Si的(100)面上
(100)面上磁量子化,简并度eB/h,
(100)面对应k空间[100],[-100]方向两个能谷,简并度2 自旋简并度2
�
单电子振荡
e S
V G e D Cg Vg
设量子点内有N个电子,其电化学势为(N) 调节栅压,使第N+1个电子的电化学势(N+1)与源的势能相 同,低于漏的势能,这是第N+1个电子可以由源共振隧穿 至量子点中,而后,又由量子点隧穿至漏.如此循环. 当电子隧穿过量子点时,其电导出现极大值,否则,将被 库仑阻塞.这样,电导将产生周期性振荡.每一个周期, 将有一个电子由源输运到漏,形成以稳定电流.
4-5 量子结构库仑阻塞效应
库仑阻塞效应 (Coulomb Blockade) 1951年,Gorter等人为了解释颗粒状金属电阻随温度下降 所表现出来的反常增加行为,提出库仑阻塞概念. 1987年,在由两个微型金属隧穿结串联组成的系统上直接 观察到电导的库仑阻塞振荡. 1989年,MIT的Scott-Thomos等人相继在硅反型层构成的 一维沟道结构和GaAs/AlGaAs异质结构一维量子线的电导 测量中,观察到了电导随栅压变化呈现周期振荡. Kouwhenhoven等人利用分离栅在半导体异质结上制成了能 控制单个电子进出的新器件.(称量子点旋转门)
假设: 1)量子点(库仑岛)体积非常小,这样它与周围产生的分布 电荷非常小(10-16-10-17F) 2) 周围环境温度非常低,以减少热涨落,消除干扰电子的运 动. 库仑岛的隧穿过程,实际上为量子线的源对其充电过程.由 充电电荷引入的静电势能可看成:
E (Q) = ∫
Q
0
q Q2 dq = C 2C
式中,C为库仑岛的总分布电荷.C很小时,单个电子的隧穿将 导致库仑岛的静电势的明显变化.
(Q ± e) 2 Q 2 e 2 Qe E = E (Q ± e) E (Q) = = ± 2C 2C 2C C
e e E = ( ± Q ) C 2
e e E = ( ± Q) C 2
(流进:负号;流出:正号) 讨论: a)当|Q|<e/2时,E为正值,表示系统总能量增加,不允许. 即沿任何方向的隧穿都使该系统的静电势增大,就不会有电子隧 穿发生,将这种对隧穿的抑制作用称为库仑阻塞效应 库仑阻塞效应. 库仑阻塞效应 b) 当Q>e/2; Q<-e/2时, E为负值,就有一个电子能沿特定方向隧 穿到库仑岛. 因此,利用库仑阻塞效应,就可能使电子逐个隧穿进出库仑岛, 实现单电子过程.
考虑量子点的输运特性 (量子线断开,中间形成量子点—库仑岛)
Source Island Drain
施加电压: 量子线部分电流连续流动,且起着输运电荷的作用(转移电荷) 量子线部分 转移电荷量可多可少. 库仑岛部分,由于电子间的库仑排斥作用,电荷转移不会是连续变 库仑岛部分 化,只能按量子力学的隧穿效应,单个电子进行输运. 转移电荷量只能是增大一个电子或减少一个电子的电量 这样,一个体系中电荷的流动存在连续流动和不连续电荷转移两种 机制.它们间的互作用,将导致一些有趣的效应.