纳米结构体系中电子输运及接点问题的研究

论文摘要

随着科学技术的发展,越来越多的纳米量子器件已经开发出来,体系的输运性质决定了器件的特性,因而对输运性质的研究有着重要的理论意义和潜在的应用价值。在纳米结构输运体系中,总存在着宏观引线与纳米体系间的接点,该区域里的电子会受到强烈的散射,存在电荷积累的现象,而该区域的电荷分布及其运动将会影响整个体系的电势分布及电子运动情况,因此将对动态电子输运性质产生重要影响。为研究接点对输运的影响,本文先分别在直流外场和交流外场下研究了纳米结构体系的电导、透射率、以及内部电势和电荷密度分布等输运特性。我们通过理论推导和数值计算相结合的方法得到这些特性,研究其物理特性变化与接点的内在联系,揭示接点对整个系统物理特性的影响。首先研究直流外场下纳米结构体系的输运性质。以一纳米单势垒“二维-一维-二维”（2D-1D-2D）模型为研究,利用散射矩阵方法得到单势垒二端介观体系在直流外场下的透射率和内部电势分布等输运特性。结果表明:接点对其透射率和内部电势分布都有显著的影响;相干器件相连接时,器件与器件、接点与器件之间由于量子相干性而相互影响,不再象传统器件那样可以有相互独立的器件特性。接着研究交流外场下纳米结构体系的输运性质。对纳米量子线结构在交流外场下的动态电导已有许多研究,但在以前研究中计算交流电导公式大多采用低频极限近似,适用于外部交流电场频率很小的情况,或者是利用唯象的电容参数给出与频率有关的电导,因此有必要得到能解决频率较大时计算交流电导的方法。基于这个问题,我们拟采用散射理论加上电荷守恒及电势平移不变性给出交流电导公式。结果表明:接点的出现使体系的电导特性出现了很大的变化,从而体现出接点问题在整个介观体系相干电子输运中的重要性。因此接点问题对介观体系具有进一步的研究价值。最后利用自洽方程初步探讨了一包含单势垒结构的一维纳米体系的内部电势分布。通过与运用托马斯-费米近似的研究结果对比从而确定其方程对此体系的适用性,进而可利用自洽方程进一步探讨纳米体系的其它动态输运特性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 介观系统的研究
• 1.1.1 纳米材料及纳米技术
• 1.1.2 纳米量子器件
• 1.2 介观体系输运性质的研究及前景
• 1.2.1 输运性质的研究
• 1.2.2 输运研究方法
• 1.3 介观体系输运中接点问题的研究现状及意义
• 1.4 本论文主要工作
• 第2章 研究介观结构输运的理论方法
• 2.1 Büttiker-Landauer 公式
• 2.2 Büttiker 散射矩阵理论
• 2.3 动态输运的RPA 自洽理论
• 2.4 密度矩阵方法
• 第3章 直流外场下纳米结构体系中的动态输运
• 3.1 引言
• 3.2 模型与公式计算
• 3.3 结果与分析
• 3.4 小结
• 第4章 交流外场下纳米结构体系中的动态电导
• 4.1 引言
• 4.2 模型与公式计算
• 4.2.1 外场引起的电导
• 4.2.2 内部电势和动态电导
• 4.3 结果与分析
• 4.4 小结
• 第5章 单势垒纳米量子线中的动态响应
• 5.1 引言
• 5.2 模型与公式计算
• 5.2.1 自洽方程
• 5.2.2 自洽方程下体系的动态响应
• 5.2.3 托马斯—费米近似下体系的动态响应
• 5.3 结果与分析
• 5.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间发表的学术论文目录