Квантовая проволока - Quantum wire

В мезоскопическая физика, а квантовая проволока является электропроводящий провод в котором квант эффекты влияют на транспортные свойства. Обычно такие эффекты проявляются в размере нанометров, поэтому их еще называют нанопровода.

Квантовые эффекты

Если диаметр проволоки достаточно мал, электроны будет испытать квантовое ограничение в поперечном направлении. В результате их поперечная энергия будет ограничена рядом дискретных значений. Одно из последствий этого квантование заключается в том, что классическая формула для расчета электрическое сопротивление проволоки,

не действует для квантовых проводов (где материал удельное сопротивление, длина, а - площадь поперечного сечения провода).

Вместо этого необходимо выполнить точный расчет поперечных энергий удерживаемых электронов для расчета сопротивления провода. Следуя квантованию энергии электронов, электрическая проводимость (величина, обратная сопротивлению) квантуется кратно , куда это заряд электрона и это Постоянная Планка. Множитель двойки возникает из вращение вырождение. Один баллистический квантовый канал (т.е. без внутреннего рассеяния) имеет проводимость, равную этой квант проводимости. Проводимость ниже этой величины при наличии внутреннего рассеяния.[1]

Важность квантования обратно пропорциональна диаметру нанопроволока для данного материала. От материала к материалу это зависит от электронных свойств, особенно от эффективная масса электронов. Физически это означает, что это будет зависеть от того, как электроны проводимости взаимодействуют с атомами в данном материале. На практике, полупроводники может показать четкое квантование проводимости для больших поперечных размеров проволоки (~ 100 нм), потому что электронные моды из-за ограничения пространственно расширены. В результате их длины волн Ферми велики и, следовательно, они имеют низкое энергетическое разделение. Это означает, что их можно разрешить только в криогенный температуры (в пределах нескольких градусов абсолютный ноль ), где тепловая энергия ниже, чем межмодовое энергетическое разделение.

Для металлов, квантование соответствует самому низкому энергетические состояния наблюдается только для атомных проводов. Их соответствующая длина волны, таким образом, чрезвычайно мала, они имеют очень большое энергетическое разделение, что позволяет наблюдать квантование сопротивления даже при комнатной температуре.

Полосные структуры, рассчитанные с использованием плотный переплет приближение для (6,0) УНТ (зигзаг, металлический ), (10,2) УНТ (полупроводники) и (10,10) УНТ (кресло, металлик)

Углеродные нанотрубки

В углеродная нанотрубка это пример квантовой проволоки. Металлическая однослойная углеродная нанотрубка, достаточно короткая, чтобы не обнаруживать внутреннего рассеяния (баллистический транспорт ) имеет проводимость, которая в два раза больше квант проводимости, . Множитель два возникает из-за того, что углеродные нанотрубки имеют два пространственных канала.[2]

Структура нанотрубки сильно влияет на ее электрические свойства. Для данного (п,м) нанотрубка, если п = м, нанотрубка металлическая; если п − м кратно 3, тогда нанотрубка является полупроводниковой с очень малой запрещенной зоной, в противном случае нанотрубка является средней полупроводник. Таким образом все кресло (п = м) нанотрубки являются металлическими, а нанотрубки (6,4), (9,1) и т. д. являются полупроводниками.[3]

Приложения

Электронные устройства

Результат атомистического моделирования для формирования канала инверсии (электронной плотности) и достижения порогового напряжения (IV) в полевом МОП-транзисторе с нанопроволокой. Обратите внимание, что пороговое напряжение для этого устройства составляет около 0,45 В.

Для транзисторов можно использовать нанопроволоки. Транзисторы широко используются в качестве основного строительного элемента в современных электронных схемах. Одна из ключевых проблем при создании транзисторов будущего - обеспечение хорошего управления затвором канала. Из-за высокого соотношения сторон обертывание диэлектрика затвора вокруг канала нанопроволоки может привести к хорошему электростатическому управлению потенциалом канала, тем самым эффективно включая и выключая транзистор.[4]

Зондирование с помощью полупроводниковых нанопроволок

Аналогичным образом полевой транзистор (FET) устройства, в которых модуляция проводимости (поток электроны /дыры ) в устройстве, управляется электростатический потенциал вариация (электрод затвора) плотность заряда в канале проводимости методология Bio / Chem-FET основана на обнаружении локального изменения плотности заряда или так называемого «эффекта поля», который характеризует событие распознавания между молекулой-мишенью и поверхностным рецептором.

Это изменение поверхностного потенциала влияет на устройство Chem-FET точно так же, как напряжение «затвора», что приводит к обнаруживаемым и измеримым изменениям проводимости устройства.[5]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ С. Датта, Электронный транспорт в мезоскопических системах, Издательство Кембриджского университета, 1995 г., ISBN  0-521-59943-1.
  2. ^ М. С. Дрессельхаус, Г. Дрессельхаус и Федон Авурис, Углеродные нанотрубки: синтез, структура, свойства и применение, Springer, 2001, ISBN  3-540-41086-4
  3. ^ Лу, X .; Чен, З. (2005). «Изогнутая Pi-конъюгация, ароматичность и родственная химия малых фуллеренов (C60) и одностенные углеродные нанотрубки ». Химические обзоры. 105 (10): 3643–3696. Дои:10.1021 / cr030093d. PMID  16218563.
  4. ^ Аппенцеллер, Йорг; Кнох, Иоахим; Bjork, Mikael T .; Риэль, Хайке; Шмид, Хайнц; Рис, Уолтер (2008). «К нанопроволочной электронике». Транзакции IEEE на электронных устройствах. 55 (11): 2827. Bibcode:2008ITED ... 55.2827A. Дои:10.1109 / TED.2008.2008011.
  5. ^ Энгель, Йони; Elnathan, R .; Певзнер, А .; Davidi G .; Flaxer E .; Патольский Ф. (2010). «Сверхчувствительное обнаружение взрывчатых веществ с помощью кремниевых нанопроволок». Angewandte Chemie International Edition. 49 (38): 6830–6835. Дои:10.1002 / anie.201000847. PMID  20715224.