纳米结构的电子性质讲解.ppt

粒子内部的光强将改变一个因子F 存在使局域场获得最大增强的共振。导致显著的非线形光学响应。 准一维系统的电子结构 求解薛定锷方程： 采用有效质量近似，本征函数可写为： 对于限制势，在x和z方向取最简单的模型：矩形方势阱。当势垒高为无限时，x方向和z方向的势可分离，则本征值为： 态密度为： 态密度显示出平方根倒数的奇异性，给出准一维特性的标志峰。 3. 库仑阻塞与单电子隧穿 Coulomb blockage 库仑阻塞是前一个电子对后一个电子的库仑排斥能，这导致对一个小体系的充放电过程，电子不能集体传输，而是一个一个单电子的传输。充入一个电子所需的能量Ec为e2/2C, C为小体系的电容，体系越小，C越小，Ec越大。 当微粒尺寸非常小时，由于静电能的变化远大于kBT，导致电荷的改变非常困难。 单电子学 single electronics: control the movement and position of a single or small number of electrons Bulk： conductor： 电子自由地通过点阵，电流由流过导体的电荷给出，这些电荷可以是任何数值，包括电子电荷的某个分数，因此电荷是连续的，非量子化的 电子云相对于晶格原子的偏移，这种移动可以是连续的，因此传输的电荷是一个连续的量。 常规导体为一隧道结所隔断。 电子流过该系统的运动包括： 在常规导体部分的连续过程 在隧道结中的分立过程 电子通过隧道穿透通过隧道结，只能是一个一个分立(整数)电荷进行隧道穿透。 电荷首先在与绝缘层相接的电极表面积聚，直到在隧道界的两边建立起足够高的偏压以后，使一个电子具有足够高的几率发生隧道穿透，传输一个基本电荷通过隧道界 ——单电子放电 Metal Insulator Metal e- MIM结 当电子从极板1隧穿到极板2时： 极板1的电荷增加e，结电压改变 DV＝e/C 静电能增加 ec＝e2/2C 电容器的充电能 通常尺度下: DV～10-9VkBT/e 纳米尺度： Ec/kB＝e2/2C/ kB~1K 库仑阻塞 电流偏置隧道结：库仑振荡Coulomb oscillations 单个隧道结与恒流源构成闭合回路，回路中将出现频率为f=I/e的电流振荡，称为Coulomb oscillations 电子盒electron box: 金属粒子的一端与隧道结相连，电子可以通过隧道穿透进入或离开此端。 系统与一电压源连接。金属粒子上可以充入确定数目的电子。 对于简并电子系统，由费米能确定费米波长： 费米波长给出费米能量的电子态的空间分布范围。 如果lF与空间分布的尺度同数量级，这些电子态就被限制住。在相应的维度方向上对静态输运没有贡献。 (但存在动力学输运) 动力学输运中采用平均自由程： 上述三个量都是平均值，描述宏观输运性质，其大小依赖于电子系统所遵从的统计规律。 若 表示的是相邻两次弹性碰撞之间的平均时间， le被称为弹性散射平均自由程。 在与弹性散射平均自由程相当的长度上，电子的输运是弹道式的，不受散射。 （不考虑电子与电子之间的相关性） 量子点接触(Quantum point contact)是二维电子气中短而窄的收缩区，其长度L～宽度W，且均小于电子平均自由程l。 在量子点接触中是完全的弹道输运。其中最突出的是2W≧lF量子点接触系统的电导量子化现象。 1988年，Van Wees等和Wharam等独立地发现改变分裂栅的电压从而使点接触宽度改变时电导呈台阶式变化。 对宽的二维电子气区的串联电阻进行修正后，台阶近似为2e2/h(=(12.9kW)-1)的整数倍。 每种材料具有特定的电导。导线的电导与其长度成反比。但另一方面，当导线的长度减小到电子的平均自由程，电子的输运性质由扩散式变为弹道式(Ballistic transport)。 电子的弹性散射平均自由程l与体系尺度相比甚小，电子在无序分布的杂质散射，其路径为无规行走。 电子平均自由程与体系的尺度相当，进入弹道输运区，限制电流大小的是样品的边界散射，杂质散射可忽略。 当导线的宽度减小到费米波长的尺度，由纳米线所连接的电极间的电导按阶梯2e2/h(=(12.9kW)-1)。并且电导不再与导线的长度相关。 决定电子输运的因素： 动量限制：假定约束具有宽度W，约束于引线中的电子波的动量px和py为量子化。对应于整数n，动量由hn/2W给出。 如果pz2=2mE-(px2+py2)为负，能量为E、质量为m的电子就不能通过限制而输运。 最大的n数定义了传导通道的数目N。对于一个确定的系统，N是确定的，因此最大的pz不能超过h/lf(lf为电子在电极中的费米波数)。 能量限制：电极间的电势差为eV，能量为E～Ef+eV