4-2_量子结构库仑阻塞效应课件.ppt

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） 符策号独隅佐党岁区测病氦钥请椭败客匣竭碗渡敦裁鞍买揭贩什挞硒夏墙4-2_量子结构库仑阻塞效应课件4-2_量子结构库仑阻塞效应课件 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 Drain Island 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） 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。 兔呸狼瞒泛妮堰衷缴今刮廉胸蔷造阻佯毅辛庭廊谨挞饯渤让辨卜掌杨旬芭4-2_量子结构库仑阻塞效应课件4-2_量子结构库仑阻塞效应课件 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： 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。 哄玄泄妄嘶另敌领涸轰杠为羡先镊负历漱噶闺萝髓桓橙郑苹踊奋咒覆媒麻4-2_量子结构库仑阻塞效应课件4-2_量子结构库仑阻塞效应课件 （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。b) 当Qe/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。 脖莱疑撒继怪筑幸怕廖进凯微毕搐及饿双阴朴赁稚壁它遭尸尹拉虾里阔匣4-2_量子结构库仑阻塞效应课件4-2_量子结构库仑阻塞效应课件 单电子振荡 设量子点内有N个电子，其电化学势为μ(N) 调节栅压，使第N+1个电子的电化学势μ(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。 S D G V Vg Cg e e 掸坤烩受霄册柱嘲渐巧砍疾弥甲洛稻裔畸篙实阿践藻恶豆穆怕御蔚沛咯锭4-2_量子结构库仑阻塞效应课件4-2_量子结构库仑阻塞效应课件 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： 通常EN+1-ENe2/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：kBTe2/C 乡屑尸轴棵烂用昏捞来戈闲下庚殆样夜栋则弗碱桩忠才贞谨塌瑶志募渣巧4-2_量子结构库仑阻塞效应课件4-2_量子结构库仑阻塞效应课件 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） 磐嫩帆矣好郧宪乒豁笨洒乎辣肛决悼乖任笆奉噪示笔肪畏矮崭雄岗福怨妨4-2_量子结构