Coulombova blokáda - Coulomb blockade

Tento článek obsahuje seznam obecných Reference, ale zůstává z velké části neověřený, protože postrádá dostatečné odpovídající vložené citace. Prosím pomozte zlepšit tento článek představuji přesnější citace. (Květen 2012) (Zjistěte, jak a kdy odstranit tuto zprávu šablony)

Schematické znázornění (podobně jako pásmový diagram ) tunelování elektronů bariérou

v mezoskopická fyzika, a Coulombova blokáda (CB), pojmenoval podle Charles-Augustin de Coulomb je elektrická síla, je pokles v elektrická vodivost v malém zkreslení napětí malého elektronického zařízení obsahujícího alespoň jeden nízkokapacita uzel tunelu.^[1] Kvůli CB nemusí být vodivost zařízení konstantní při nízkém předpětí, ale zmizí pro předpětí pod určitou prahovou hodnotou, tj. Neproudí žádný proud.

Coulombovu blokádu lze pozorovat tak, že je zařízení velmi malé, jako například kvantová tečka. Když je zařízení dostatečně malé, elektrony uvnitř zařízení vytvoří silný Coulombův odpor zabránění toku dalších elektronů. Zařízení tedy již nebude následovat Ohmův zákon a vztah proud-napětí blokády Coulomb vypadá jako schodiště.^[2]

I když je možné demonstraci Coulombovy blokády použít kvantování elektrického náboje, zůstává a klasický účinek a jeho hlavní popis nevyžaduje kvantová mechanika. Pokud je však zapojeno několik elektronů a externí statická energie magnetické pole je použita, Coulombova blokáda poskytuje základ pro a spin blokáda (jako Pauli spin blokáda) a blokáda údolí,^[3] které zahrnují kvantově mechanické jevy způsobené roztočit a orbitální interakce mezi elektrony.

Zařízení mohou být tvořena buď kovovými nebo supravodivé elektrody. Pokud jsou elektrody supravodivé, Cooperové páry (s nabít minus dva základní poplatky ${ displaystyle -2e}$) nést proud. V případě, že jsou elektrody kovové nebo normální vedení, tj. ani jeden supravodivé ani polovodičové, elektrony (s poplatkem ${ displaystyle -e}$) nést proud.

V tunelové křižovatce

Následující část je pro případ tunelových spojů s izolační bariérou mezi dvěma normálně vodivými elektrodami (spojky NIN).

The uzel tunelu je ve své nejjednodušší formě tenká izolační bariéra mezi dvěma vodivými elektrodami. Podle zákonů klasická elektrodynamika, izolační bariérou nemůže protékat žádný proud. Podle zákonů kvantová mechanika, nicméně, tam je nonvanishing (větší než nula) pravděpodobnost aby elektron na jedné straně bariéry dosáhl na druhou stranu (viz kvantové tunelování ). Když předpětí Pokud je použito, znamená to, že bude existovat proud, a při zanedbání dalších účinků bude tunelovací proud úměrný předpětí. Z elektrického hlediska se tunelový spoj chová jako a odpor s konstantním odporem, také známý jako ohmický rezistor. Odpor závisí exponenciálně na tloušťku bariéry. Obvykle je tloušťka bariéry řádově jedna až několik nanometry.

Uspořádání dvou vodičů s izolační vrstvou mezi nimi má nejen odpor, ale také konečný kapacita. Izolátor se také nazývá dielektrikum v této souvislosti se spojení tunelu chová jako a kondenzátor.

Vzhledem k diskrétnosti elektrického náboje je proud tunelem spojen s řadou událostí, ve kterých prochází přesně jeden elektron (tunely) skrz tunelovou bariéru (zanedbáváme kotunneling, ve kterém tunely dva elektrony současně). Kondenzátor tunelového spojení je nabitý jedním elementárním nábojem tunelovým elektronem, což způsobí a Napětí vybudovat ${ displaystyle U = e / C}$, kde ${ displaystyle C}$ je kapacita křižovatky. Je-li kapacita velmi malá, může být nárůst napětí dostatečně velký, aby zabránil tunelování dalšího elektronu. Elektrický proud je poté potlačen při nízkém předpětí a odpor zařízení již není konstantní. Zvýšení diferenciální odpor kolem nulové odchylky se nazývá Coulombova blokáda.

Pozorování

Aby bylo možné pozorovat Coulombovu blokádu, musí být teplota dostatečně nízká, aby charakteristická nabíjecí energie (energie potřebná k nabití spojení jedním elementárním nábojem) byla větší než tepelná energie nosičů náboje. V minulosti pro kapacity nad 1femtofarad (10⁻¹⁵ farad ), to znamenalo, že teplota musí být pod asi 1Kelvin. Tento teplotní rozsah je běžně dosahován například ledničkami 3He. Díky malým kvantovým tečkám o pouhých několika nanometrech byla pozorována Coulombova blokáda nad teplotou kapalného helia až do teploty místnosti.^[4][5]

Provedení tunelového spojení deskový kondenzátor geometrie s kapacitou 1 femtofaradu pomocí oxidové vrstvy elektrického permitivita 10 a tloušťka jedna nanometr je třeba vytvořit elektrody o rozměrech přibližně 100 x 100 nanometrů. Tohoto rozsahu rozměrů běžně dosahuje například litografie elektronového paprsku a vhodné přenos vzorů technologie, jako je Technika Niemeyer – Dolan, také známý jako technika odpařování stínu. Pro křemík bylo dosaženo integrace výroby kvantových teček se standardní průmyslovou technologií. Byl implementován proces CMOS pro získání masivní produkce tranzistorů s kvantovými tečkami s jedním elektronem s velikostí kanálu až 20 nm x 20 nm.^[6]

Jednoelektronový tranzistor

Schéma jednoelektronového tranzistoru.

Zleva doprava: energetické úrovně zdroje, ostrova a odtoku v jednoelektronovém tranzistoru pro blokující stav (horní část) a vysílací stav (spodní část).

Jednoelektronový tranzistor s niob vede a hliník ostrov.

Nejjednodušším zařízením, ve kterém lze pozorovat účinek Coulombovy blokády, je tzv jednoelektronový tranzistor. Skládá se ze dvou elektrod známých jako vypustit a zdroj, připojený přes tunelové spojení na jednu společnou elektrodu s nízkým vlastní kapacita, známý jako ostrov. Elektrický potenciál ostrova lze vyladit třetí elektrodou, známou jako brána, který je kapacitně spojen s ostrovem.

V blokujícím stavu nejsou v dosahu tunelu elektronu žádné přístupné energetické úrovně (červeně)^{[je zapotřebí objasnění ]} na zdrojovém kontaktu. Všechny úrovně energie na ostrovní elektrodě s nižšími energiemi jsou obsazeny.

Když je kladné napětí přivedeno na hradlovou elektrodu, energetické hladiny ostrovní elektrody se sníží. Elektron (zelený 1.) může tunelovat na ostrov (2.) a zabírat dříve prázdnou energetickou hladinu. Odtamtud může tunelovat na odtokovou elektrodu (3.), kde se elasticky rozptýlí a dosáhne odtokové elektrody na úroveň Fermi (4.).

Úrovně energie ostrovní elektrody jsou rovnoměrně rozmístěny s oddělením ${ displaystyle Delta E.}$ To vede k vlastní kapacitě ${ displaystyle C}$ ostrova, definované jako

${ displaystyle C = { frac {e ^ {2}} { Delta E}}.}$

K dosažení Coulombovy blokády je třeba splnit tři kritéria:

1. Předpětí musí být nižší než základní náboj děleno vlastní kapacitou ostrova: ${ displaystyle V _ { text {bias}} <{ frac {e} {C}}}$ ;
2. Tepelná energie ve zdrojovém kontaktu plus tepelná energie na ostrově, tj. ${ displaystyle k _ { rm {B}} T,}$ musí být pod nabíjecí energií: ${ displaystyle k _ { rm {B}} T <{ frac {e ^ {2}} {2C}},}$ nebo jinak bude elektron schopen projít QD tepelnou excitací; a
3. Tunelový odpor, ${ displaystyle R _ { rm {t}},}$ by měla být větší než ${ displaystyle { frac {h} {e ^ {2}}},}$ který je odvozen od Heisenberga princip nejistoty.^[7]

Coulombův blokádový teploměr

Typický Coulombův blokádový teploměr (CBT) je vyroben z řady kovových ostrůvků, které jsou navzájem propojeny tenkou izolační vrstvou. Mezi ostrovy se vytvoří tunelové spojení, a když se přivede napětí, elektrony mohou tunelovat přes toto spojení. Míra tunelování a tím i vodivost se liší podle nabíjecí energie ostrovů i tepelné energie systému.

Coulombův blokádový teploměr je primární teploměr na základě charakteristik elektrické vodivosti polí tunelového spojení. Parametr V_½= 5,439Nk_BT / e, plná šířka na poloviční minimu naměřeného rozdílu diferenciální vodivosti přes řadu N křižovatek spolu s fyzikální konstanty zadejte absolutní teplotu.

Blokování iontovým Coulombem

Blokování iontovým Coulombem^[8] (ICB) je speciální případ CB, který se objevuje v elektro-difúzním transportu nabitých iontů přes umělé nanopóry subnanometru^[9] nebo biologické iontové kanály.^[10] ICB je velmi podobný svému elektronickému protějšku v kvantových tečkách,^[1] ale představuje některé specifické rysy definované možná odlišnou valencí z nosičů náboje (prostupující ionty vs. elektrony) a podle odlišného původu transportního motoru (klasická elektrodifúze vs. kvantové tunelování).

V případě ICB, Coulombova mezera ${ displaystyle Delta E}$ je definována dielektrickou vlastní energií přicházejícího iontu uvnitř póru / kanálu

$${ displaystyle Delta E = { frac {z ^ {2} e ^ {2}} {2C}}}$$

${ textstyle Delta E}$

${ textstyle ( Delta E gg k _ { rm {B}} T)}$

${ displaystyle z> = 2}$

${ displaystyle { ce {Ca ^ 2 +}}}$

ICB byla nedávno experimentálně pozorována v subnanometru ${ displaystyle { ce {MoS2}}}$ póry.^[9]

V biologických iontových kanálech se ICB typicky projevuje v takových jevech valenční selektivity jako ${ displaystyle { text {Ca}} ^ {2+}}$ vodivostní pásma (vs. pevný náboj ${ displaystyle Q _ { rm {f}}}$) a na koncentraci závislá dvojmocná blokáda proudu sodíku.^[10][11]

Reference

Všeobecné

• Single Charge Tunneling: Coulomb Blockade Phenomena in Nanostructures, eds. H. Grabert a M. H. Devoret (Plenum Press, New York, 1992)
• D.V. Averin a K. K. Likharev, v Mezoskopické jevy v pevných látkách, eds. B.L. Altshuler, P.A. Lee a R.A. Webb (Elsevier, Amsterdam, 1991)
• Fulton, T. A.; Dolan, G.J. (1987). "Pozorování účinků nabíjení s jedním elektronem v malých uzlech tunelu". Phys. Rev. Lett. 59: 109–112. Bibcode:1987PhRvL..59..109F. doi:10.1103 / PhysRevLett.59.109. PMID  10035115.

externí odkazy

• Výpočetní kniha s jednou elektronikou
• Coulombova blokáda online přednáška