量子結(jié)構(gòu)庫(kù)侖阻塞效應(yīng)

1、4-5 量子結(jié)構(gòu)庫(kù)侖阻塞效應(yīng)庫(kù)侖阻塞效應(yīng) （Coulomb Blockade) 1951年,Gorter等人為了解釋顆粒狀金屬電阻隨溫度下降所表現(xiàn)出來(lái)的反常增加行為，提出庫(kù)侖阻塞概念。 1987年，在由兩個(gè)微型金屬隧穿結(jié)串聯(lián)組成的系統(tǒng)上直接觀察到電導(dǎo)的庫(kù)侖阻塞振蕩。 1989MIT的Scott-Thomos等人相繼在硅反型層構(gòu)成的一維溝道結(jié)構(gòu)和GaAs/AlGaAs異質(zhì)結(jié)構(gòu)一維量子線的電導(dǎo)測(cè)量中，觀察到了電導(dǎo)隨柵壓變化呈現(xiàn)周期振蕩。 Kouwhenhoven等人利用分離柵在半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)上制成了能控制單個(gè)電子進(jìn)出的新器件。（稱量子點(diǎn)旋轉(zhuǎn)門）1考慮量子點(diǎn)的輸運(yùn)特性 （量子線斷開，中間形成量子點(diǎn)庫(kù)侖

2、島）SourceDrainIsland施加電壓：量子線部分電流連續(xù)流動(dòng)，且起著輸運(yùn)電荷的作用（轉(zhuǎn)移電荷） 轉(zhuǎn)移電荷量可多可少。庫(kù)侖島部分，由于電子間的庫(kù)侖排斥作用，電荷轉(zhuǎn)移不會(huì)是連續(xù)變化，只能按量子力學(xué)的隧穿效應(yīng)，單個(gè)電子進(jìn)行輸運(yùn)。 轉(zhuǎn)移電荷量只能是增大一個(gè)電子或減少一個(gè)電子的電量這樣，一個(gè)體系中電荷的流動(dòng)存在連續(xù)流動(dòng)和不連續(xù)電荷轉(zhuǎn)移兩種機(jī)制。它們間的互作用，將導(dǎo)致一些有趣的效應(yīng)。2假設(shè)： 1）量子點(diǎn)（庫(kù)侖島）體積非常小，這樣它與周圍產(chǎn)生的分布電荷非常?。?0-16-10-17F) 2) 周圍環(huán)境溫度非常低，以減少熱漲落，消除干擾電子的運(yùn)動(dòng)。 庫(kù)侖島的隧穿過程，實(shí)際上為量子線的源對(duì)其充電過程。

3、由充電電荷引入的靜電勢(shì)能可看成： 式中，C為庫(kù)侖島的總分布電荷。C很小時(shí)，單個(gè)電子的隧穿將導(dǎo)致庫(kù)侖島的靜電勢(shì)的明顯變化。 3 （流進(jìn)：負(fù)號(hào)；流出：正號(hào)） 討論：a)當(dāng)|Q|e/2; Q-e/2時(shí), E為負(fù)值，就有一個(gè)電子能沿特定方向隧穿到庫(kù)侖島。 因此，利用庫(kù)侖阻塞效應(yīng)，就可能使電子逐個(gè)隧穿進(jìn)出庫(kù)侖島，實(shí)現(xiàn)單電子過程。4單電子振蕩設(shè)量子點(diǎn)內(nèi)有N個(gè)電子，其電化學(xué)勢(shì)為(N)調(diào)節(jié)柵壓，使第N+1個(gè)電子的電化學(xué)勢(shì)(N+1)與源的勢(shì)能相同，低于漏的勢(shì)能，這是第N+1個(gè)電子可以由源共振隧穿至量子點(diǎn)中，而后，又由量子點(diǎn)隧穿至漏。如此循環(huán)。 當(dāng)電子隧穿過量子點(diǎn)時(shí)，其電導(dǎo)出現(xiàn)極大值，否則，將被庫(kù)侖阻塞。這樣，電

4、導(dǎo)將產(chǎn)生周期性振蕩。每一個(gè)周期，將有一個(gè)電子由源輸運(yùn)到漏，形成以穩(wěn)定電流。SDGVVgCgee5因而測(cè)量量子點(diǎn)電導(dǎo)，就會(huì)觀察到其隨柵壓Vg振蕩 振蕩周期：通常EN+1-ENe2/C, 振蕩周期變?yōu)椋篹/Cg如果我們?cè)陔姾蓚鬏斶^程中，測(cè)量庫(kù)侖島兩端的電壓，就會(huì)出現(xiàn)周期性電壓振蕩現(xiàn)象。 每當(dāng)一個(gè)電子轉(zhuǎn)移到庫(kù)侖島時(shí)，島兩端電壓發(fā)生e/C的躍變，在量子點(diǎn)的I-V曲線上呈現(xiàn)一系列的庫(kù)倫臺(tái)階，臺(tái)階寬度V=e/C。 振蕩頻率：f=I/e 這種振蕩-單電子隧穿振蕩。( 基于庫(kù)侖阻塞效應(yīng)） 這個(gè)過程必須：kBTe2/C 6庫(kù)侖阻塞與狀態(tài)量子化量子點(diǎn)內(nèi)能量不再是準(zhǔn)連續(xù)態(tài)，而是能隙可大于kBT值的一系列分離的準(zhǔn)零維態(tài)。庫(kù)侖作用使能級(jí)重整化，重整化后能隙E*= E+e2/C, 如果量子點(diǎn)電容C足夠小， E*將主要由e2/C決定。這樣重整后：間隙大大增加更規(guī)則相間自旋相反的兩電子分離（退簡(jiǎn)并）7量子點(diǎn)旋轉(zhuǎn)門器件在電極1、2上分別加相位差180度，頻率為f的交流調(diào)制信號(hào)來(lái)控制量子點(diǎn)接觸QPC1,QPC2的勢(shì)壘高度。89實(shí)際意義發(fā)展單電子器件 數(shù)字邏輯電路；存儲(chǔ)器；單電子晶體管 電子的維度被約束的越多，電子的波動(dòng)性或量子性質(zhì)就會(huì)更突出。如量子點(diǎn)激光器比量子阱具有： 更低的閾值電流密度 更好的溫度穩(wěn)定性 更高的調(diào)制速率 更窄的譜線寬度 更小的