Кинетические свойства низкоразмерных материалов наноэлектроники в сильных внешних полях (06.09.2010)

Автор: Завьялов Дмитрий Викторович

- безразмерная полуширина солитона,

- параметр связи солитонов.

Основным результатом численного моделирования процессов взаимодействия солитонов вблизи слоя неоднородности можно назвать обнаружение неупругости их взаимодействия, если столкновение происходит вблизи слоя неоднородности. В случае, если столкновение происходит вдали от слоя или если солитон «налетает» на слой в одиночестве взаимодействие солитонов между собой и со слоем неоднородности происходит практически упруго.

В пятой главе диссертации исследованы некоторые особенности в поведении проводимости нового материала современной микроэлектроники – графена [11, 12], которые могут проявить себя в квазиклассической ситуации. В частности, с использованием квазиклассического подхода предсказан эффект возникновения постоянной (перпендикулярной тянущему постоянному электрическому полю) составляющей тока в ситуации когда на образец графена нормально к его поверхности падает эллиптически поляризованная электромагнитная волна. Найдено выражение для постоянной составляющей тока и проанализирована ее зависимость от напряженностей полей и сдвига фаз между компонентами электромагнитной волны.

Пусть нормально к плоскости поверхности идеального образца графена падает эллиптически поляризованная электромагнитная волна. Составляющие напряженности электрического поля эллиптически поляризованной волны имеют вид

- амплитуды электрических полей в электромагнитной волне.

При этом получено выражение для плотности тока вдоль оси y.

Отметим, что в решенной задаче интеграл столкновений уравнения Больцмана был выбран в простейшем виде постоянной частоты столкновений. Возникает естественный вопрос – не является ли данный эффект следствием специфического выбора модели столкновительного члена? Для более детального исследования эффекта был проведен детальный численный анализ эффекта и он был обоснован без использования модели постоянной частоты столкновений, используя прямое численное моделирование с помощью метода Монте-Карло.

Численное исследование показало, что предсказанный эффект имеет место только при учете неупругости в столкновениях электрона с нерегулярностями кристаллической решетки. Если оптические фононы выключались из рассмотрения, и моделирование проводилось только с использованием в качестве рассеивателей акустических фононов (рассеяние на которых считалось упругим), то средний по времени ток, перпендикулярный тянущему постоянному электрическому полю, был равен нулю. Это, в свою очередь, говорит о том, что простейший член столкновений (в приближении постоянной частоты столкновений) учитывает в какой-то мере неупругие механизмы рассеяния, необходимые для возникновения описываемого эффекта. Таким образом, даже простейший выбор члена столкновений позволяет качественно судить об эффектах, связанных с переносом заряда в графене и обязанных своему существованию неаддитивности энергетического спектра носителей тока в нем.

Также в данной главе была рассмотрена задача о взаимном влиянии на носители тока двух электромагнитных волн разной частоты (падающих перпендикулярно на монослойный графен на подложке SiC) с векторами напряженности, направленными перпендикулярно друг другу. Показано, что при определенном соотношении между частотами этих волн возможно возникновение постоянной составляющей тока в образце.

– составляющие напряженности переменных электрических полей вдоль осей OX и OY соответсвенно.

Энергетический спектр носителей тока запишем в виде

– полуширина запрещенной зоны, появляющаяся в результате специфики взаимодействия атомов монослоя углерода (графена) с атомами подложки [13]. В результате расчета в квазиклассическом приближении с использованием уравнения Больцмана в приближении постоянной частоты столкновений получено следующее выражение для постоянной составляющей тока, текущего вдоль оси OX

Основные выводы и результаты

В диссертации впервые решен ряд важных задач, посвященных оптическим и электрическим свойствам низкоразмерных материалов современной твердотельной электроники в условиях воздействия сильных внешних полей:

- изучены высокочастотные свойства спиральной квантовой проволоки, находящейся в постоянном электрическом поле. Выявлена пороговая зависимость высокочастотной проводимости от напряженности постоянного поля. Показано, что величиной порога проводимости можно управлять с помощью постоянного электрического поля.

- исследовано влияние квантующего постоянного электрического поля, параллельного оси полупроводниковой сверхструктуры, на подвижность носителей тока в направлении, перпендикулярном оси. Выявлен осциллирующий характер зависимости плотности тока, текущего перпендикулярно оси сверхрешетки, от напряженности продольного электрического поля;

- рассчитаны коэффициены примесного и внутриминизонного поглощения кноидальной волны полупроводниковой СР. Показано, что учет взаимного влияния друг на друга процессов ионизации и изменения параметров ЭМ волны существенно влияет на результаты. В приближении гармонического внешнего поля волны коэффициент примесного поглощения оказался бы смещенным в сторону больших полей. Показано, что при напряженности электрического поля волны ~103В/см (для типичных параметров СР) наблюдается резкий спад коэффициента примесного поглощения из-за эффекта насыщения концентрации электронов в минизоне;

- проведен анализ процессов распространения двух электромагнитных солитонов в СР в присутствии неоднородностей. Показано, что присутствие неоднородностей среды оказывает существенное влияние на обмен энергией между солитонами. Столкновения электромагнитных солитонов в окрестности слоя с повышенной концентрацией носителей заряда в СР не являются абсолютно упругими. Пороговое значение концентрации носителей заряда для прохождения слоя взаимодействующими солитонами значительно отличается от порогового значения для одиночного прохождения солитонов. Такое взаимодействие невозможно объяснить, используя известную аналогию между солитонами и точечными частицами, подчиняющимися законам классической механики;

- некоторая константа, зависящая от частоты волны;

- решена задача о взаимном влиянии на носители тока в графене на подложке SiC двух электромагнитных волн разной частоты с векторами напряженности, направленными перпендикулярно друг другу. Исследована возможность возникновения постоянной составляющей электрического тока. Показано, что постоянный ток возникает лишь в случае, когда отношение частот падающих волн равно двум. Найдена постоянная составляющая электрического тока, возникающего в графене, помещённом в постоянное магнитное поле в случае, когда на поверхность образца нормально падают две электромагнитные волны со взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации. Показано, что постоянная составляющая тока вдоль направления вектора напряжённости волны с частотой возникает только при отношении частот падающих волн 2 или 1/2, причём во втором случае постоянная составляющая тока возникает только при наличии магнитного поля.

Таким образом из сказанного следует, что в материалах современной микро- и наноэлектроники в условиях воздействия сильных внешних полей возможно проявление новых необычных свойств, таких как:

- модификация электронного энергетического спектра;

- немонотонность и пороговые свойства вольт-амперной характеристики;

- эффекты насыщения примесных фотоэлектрических свойств;

- выпрямляющие поперечные свойства;

- смена знака светоэлектрического эффекта.

Представленная диссертация является научно-квалификационной работой, в которой разработаны теоретические положения, совокупность которых можно квалифицировать как новое крупное научное достижение – «Выявление новых оптических и электрических свойств низкоразмерных материалов современной твердотельной электроники в сильных внешних полях».

Список цитированной литературы

J. Karch, P. Olbrich, M. Schmalzbauer at all. Photon helicity driven electric currents in grapheme // arXiv:1002.1047v1. 4 Feb 2010.

Игнатов А. А., Романов Ю. А. Абсолютная отрицательная проводимость в полупроводниках со сверхрешеткой // Изв. Вузов. (Радиофизика). 1978. Т21. № l. С. 132.

H.T. Grahn, K. von Klitzing, K. Ploog, G.H. Doehler. // Phys. Rev.B43. 1991. V14. P.12095.

Адамс Э., Гольдстейн Т. Вопросы квантовой теории необратимых процессов. М.: Ин. Лит., 1961. С. 255-297.

Berezhkovskii A.M., Ovchinnikov A.A., Suris R.A. A new method for detecting the Wannier-Stark ladder in a semiconductor in a strong electric field. // Phys. Stat. Sol. 1981. V106. P.461-466.

Галкин Н.Г., Маргулис В.А., Шорохов А.В. Электродинамическая восприимчивость квантовой нанотрубки в параллельном магнитном поле // Физика твердого тела. 2002. Т44. №3. С. 466-467.

Брыксин В. В., Фирсов Ю. А. Общая теория явлений переноса для полупроводников в сильном электрическом поле //Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1971. Т61. №6(12). С. 2373-2390.

Басс Ф.Г., Булгаков А.А., Тетервов А.П. Высокочастотные свойства полупроводников со сверхрешетками. М.: Наука, 1989. 288с.

Эпштейн Э.М. Затухание солитона в сверхрешетке // Изв. ВУЗов СССР. Радиофизика. 1981. Т24. №10. C.1293-1294.

Крючков С.В. Эволюция параметров солитона в сверхрешетке в процессе ионизации примесей // Физика и техника полупроводников. 1991. Т25. №3. C.568-571.

Wilson V. Electrons in Atomically Thin Carbon Sheets Behave Like Massless Particle // Physics Today. 2006. № 1. P. 21-23.


загрузка...