Баллистическая проводимость - Ballistic conduction

В мезоскопическая физика, баллистическая проводимость (баллистический транспорт) - беспрепятственный поток (или транспорт ) из носители заряда (обычно электроны ) или частицы, несущие энергию, на относительно большие расстояния в материале. В целом удельное сопротивление материала существует потому, что электрон, двигаясь внутри среды, рассеивается на примесях, дефекты, тепловые колебания ионы в кристаллическое твердое вещество или, как правило, любым свободно движущимся атомом / молекулой, составляющей газ или жидкость. Без рассеяния электроны просто подчиняются Второй закон движения Ньютона в нерелятивистские скорости.

В длина свободного пробега частицы можно описать как среднюю длину, которую частица может свободно перемещать, т.е.до столкновения, которое могло бы изменить ее импульс. Увеличить длину свободного пробега можно за счет уменьшения количества примесей в кристалле или за счет снижения его температуры. Баллистический перенос наблюдается, когда длина свободного пробега частицы (намного) больше, чем размер среды, через которую движется частица. Частица изменяет свое движение только при столкновении с стены. В случае проволоки, подвешенной в воздухе / вакууме, поверхность проволоки играет роль коробка отражая электроны и предотвращая их выход в пустое пространство / открытый воздух. Это потому, что для извлечения электрона из среды (рабочая функция ).

Баллистическая проводимость обычно наблюдается в квазиодномерных структурах, таких как углеродные нанотрубки или кремний нанопровода, из-за экстремальных эффектов размерного квантования в этих материалах. Баллистическая проводимость не ограничивается электронами (или дырками), но может также применяться к фононы. Теоретически возможно распространение баллистической проводимости на другие квазичастицы, но это не было экспериментально подтверждено. Для конкретного примера баллистический перенос может наблюдаться в металлическом нанопроволока: из-за небольшого размера провода (нанометр -шкала или 10⁻⁹ метров) и средней длины свободного пробега, которая может быть больше, чем у металла.^[1]

Баллистическая проводимость отличается от сверхпроводимость из-за отсутствия Эффект Мейснера в материале. Баллистический проводник перестанет проводить, если движущая сила отключена, тогда как в сверхпроводнике ток будет продолжать течь после отключения источника питания.

Теория

Механизмы рассеяния

Как правило, носители демонстрируют баллистическую проводимость, когда ${\displaystyle L\leq \lambda _{\rm {MFP}}}$ куда ${\displaystyle L}$ - длина активной части устройства (например, канал в МОП-транзистор ). ${\displaystyle \lambda _{\rm {MFP}}}$ - длина свободного пробега носителя, которую можно определить как Правило Маттиссена, написанное здесь для электронов:

${\displaystyle {\frac {1}{\lambda _{\mathrm {MFP} }}}={\frac {1}{\lambda _{\mathrm {el-el} }}}+{\frac {1}{\lambda _{\mathrm {ap} }}}+{\frac {1}{\lambda _{\mathrm {op,ems} }}}+{\frac {1}{\lambda _{\mathrm {op,abs} }}}+{\frac {1}{\lambda _{\mathrm {impurity} }}}+{\frac {1}{\lambda _{\mathrm {defect} }}}+{\frac {1}{\lambda _{\mathrm {boundary} }}}}$

куда

• ${\displaystyle \lambda _{\mathrm {el-el} }}$ - длина электрон-электронного рассеяния,
• ${\displaystyle \lambda _{\mathrm {ap} }}$ - длина рассеяния акустических фононов (излучения и поглощения),
• ${\displaystyle \lambda _{\mathrm {op,ems} }}$ - длина рассеяния излучения оптического фонона,
• ${\displaystyle \lambda _{\mathrm {op,abs} }}$ - длина рассеяния поглощения оптических фононов,
• ${\displaystyle \lambda _{\mathrm {impurity} }}$ - длина рассеяния электронов на примеси,
• ${\displaystyle \lambda _{\mathrm {defect} }}$ - длина рассеяния электронов на дефектах,
• и ${\displaystyle \lambda _{\mathrm {boundary} }}$ - длина рассеяния электрона с границей.

Что касается механизмов рассеяния, оптический фонон выбросы обычно преобладают, в зависимости от материала и условий транспортировки. Существуют также другие механизмы рассеяния, которые применяются к различным носителям, которые здесь не рассматриваются (например, рассеяние фононов на удаленном интерфейсе, Умклаппское рассеяние ). Чтобы получить эти характерные скорости рассеяния, нужно было бы получить Гамильтониан и решить Золотое правило Ферми для рассматриваемой системы.

Полевой транзистор с графеновой нанолентой (GNR-FET). Здесь контакты A и B находятся на двух разных Уровни Ферми ${\displaystyle E_{\rm {F_{A}}}}$ и ${\displaystyle E_{\rm {F_{B}}}}$.

Формализм Ландауэра – Бюттикера

Основная статья: Формула Ландауэра

В 1957 г. Рольф Ландауэр предположил, что проводимость в 1D-системе можно рассматривать как проблему передачи. Для 1D графеновая нанолента полевой транзистор (GNR-FET) справа (где канал предполагается баллистическим), ток от A до B, определяемый Уравнение переноса Больцмана, является

${\displaystyle I_{\rm {AB}}={\frac {g_{s}e}{h}}\int _{E_{\rm {F_{B}}}}^{E_{\rm {F_{A}}}}M(E)f^{\prime }(E)T(E)dE}$,

куда грамм_s= 2, так как спиновое вырождение, е - заряд электрона, час это Постоянная планка, ${\displaystyle E_{\rm {F_{A}}}}$ и ${\displaystyle E_{\rm {F_{B}}}}$ уровни Ферми А и B, МНЕ) - количество распространяющихся мод в канале, f '(E) - отклонение от равновесного электронного распределения (возмущение), а Т (Е) вероятность передачи (Т= 1 для баллистической).^{[нужна цитата ]} Исходя из определения проводимость

${\displaystyle G={\frac {I}{V}}}$,

а расстояние между уровнями Ферми примерно равно ${\displaystyle eV=E_{\rm {F_{A}}}-E_{\rm {F_{B}}}}$, следует, что

${\displaystyle G=G_{0}MT}$, с участием ${\displaystyle G_{0}={\frac {2e^{2}}{h}}}$

куда M - количество режимов в канале передачи и включается спин. ${\displaystyle G_{0}}$ известен как квант проводимости. Контакты имеют множество режимов из-за их большего размера по сравнению с каналом. И наоборот, квантовое ограничение в канале 1D GNR ограничивает количество мод вырождением несущей и ограничениями от соотношение дисперсии энергии и Зона Бриллюэна. Например, электроны в углеродных нанотрубках имеют две междолинейные моды и две спиновые моды. Поскольку контакты и канал ГНР соединены выводами, вероятность передачи меньше на контактах А и B,

${\displaystyle T\approx {\frac {M}{M_{\rm {contact}}}}}$.

Таким образом, квантовая проводимость примерно одинакова при измерении в точках A и B или C и D.

Формализм Ландауэра – Бюттикера сохраняется до тех пор, пока носители последовательный (что означает, что длина активного канала меньше, чем длина свободного пробега до обрыва фазы), и функции передачи могут быть рассчитаны из Уравнение Шредингера или приблизительно полуклассические приближения, словно Приближение ВКБ. Следовательно, даже в случае идеального баллистического транспорта существует фундаментальная баллистическая проводимость, которая насыщает ток устройства с сопротивлением примерно 12,9 кОм на моду (включая вырождение спина).^[2] Однако существует обобщение формализма переноса Ландауэра – Бюттикера, применимое к нестационарным задачам при наличии рассеяние.^[3][4]

Важность

Баллистическая проводимость позволяет использовать квантово-механический свойства электрона волновые функции. Баллистический транспорт связан с волновая механика термины. Явления вроде двухщелевая интерференция, пространственный резонанс (и другие оптические или микроволновая печь -подобные эффекты) могут быть использованы в электронных системах на наноуровне в системах, включая нанопровода и нанотрубки.

Широко распространенное явление сопротивление электрического контакта или ECR, возникает, когда электрический ток, протекающий через шероховатую границу раздела, ограничивается ограниченным количеством пятен контакта. Размер и распределение этих пятен контакта определяется топологической структурой контактирующих поверхностей, образующих электрический контакт. В частности, для поверхностей с высоким фрактальная размерность пятна контакта могут быть очень маленькими. В таких случаях, когда радиус пятна контакта меньше длины свободного пробега электронов ${\displaystyle \lambda }$ , в сопротивлении преобладает механизм Шарвина, в котором электроны баллистически проходят через эти микроконтакты с сопротивлением, которое можно описать следующим образом: ^[5]

${\displaystyle R_{\rm {S}}={\frac {\lambda (\rho _{1}+\rho _{2})}{2a}}.}$

Этот термин, где ${\displaystyle \rho _{1}}$ и ${\displaystyle \rho _{2}}$ соответствуют конкретным удельное сопротивление двух соприкасающихся поверхностей называется сопротивлением Шарвина. Электрические контакты, приводящие к баллистической электронной проводимости, известны как Sharvin Контакты. Когда радиус пятна контакта больше, чем длина свободного пробега электронов, сопротивление контакта можно рассматривать классически.

Оптические аналогии

Сравнение со светом дает аналогию между баллистической и небаллистической проводимостью. Баллистические электроны ведут себя как свет в волновод или качественная оптическая сборка. Небаллистические электроны ведут себя как свет, рассеянный в молоке или отраженный от белой стены или листа бумаги.

Электроны могут рассеиваться в проводнике по-разному. Электроны обладают несколькими свойствами: длиной волны (энергией), направлением, фазой и ориентацией спина. Различные материалы имеют разные вероятности рассеяния, что приводит к разным показателям некогерентности (стохастичности). Некоторые виды рассеяния могут вызвать только изменение направления электронов, другие могут вызвать потерю энергии.

Рассмотрим когерентный источник электронов, подключенный к проводнику. На ограниченном расстоянии волновая функция электрона останется когерентной. Вы по-прежнему можете детерминированно предсказать его поведение (и теоретически использовать его для вычислений). После некоторого большего расстояния рассеяние приводит к тому, что каждый электрон имеет немного другой фаза и / или направление. Но потерь энергии по-прежнему почти нет. подобно монохромный свет проходит через молоко, электроны проходят эластичный взаимодействия. При этом информация о состоянии электронов на входе теряется. Транспорт становится статистический и стохастический. С точки зрения сопротивления стохастическое (неориентированное) движение электронов бесполезно, даже если они несут одинаковую энергию - они движутся термически. Если электроны претерпевают неэластичный взаимодействия тоже, они теряют энергию, и в результате возникает второй механизм сопротивления. Электроны, которые подвергаются неупругому взаимодействию, подобны немонохроматическому свету.

Для правильного использования этой аналогии необходимо учесть несколько фактов:

1. фотоны находятся бозоны и электроны фермионы;
2. есть кулоновское отталкивание между электронами, таким образом, эта аналогия хороша только для одноэлектронной проводимости, потому что электронные процессы сильно нелинейный и зависит от других электронов;
3. более вероятно, что электрон потеряет больше энергии, чем фотон, из-за ненулевой энергии электрона. масса покоя;
4. взаимодействия электронов с окружающей средой, друг с другом и другими частицами обычно сильнее, чем взаимодействия с фотонами и между ними.

Примеры

Как уже упоминалось, наноструктуры, такие как углеродные нанотрубки или графеновые наноленты часто считаются баллистическими, но эти устройства только очень напоминают баллистическую проводимость. Их баллистичность составляет около 0,9 при комнатной температуре.^[6]

Углеродные нанотрубки и графеновая нанолента

Преобладающий механизм рассеяния при комнатной температуре - это испускание электронами оптических фононов. Если электроны не рассеиваются с достаточным количеством фононов (например, если скорость рассеяния мала), длина свободного пробега имеет тенденцию быть очень большой (${\displaystyle \lambda _{MFP}\approx 1{\mu }}$м). Таким образом, нанотрубка или графеновая нанолента могут быть хорошим баллистическим проводником, если проходящие электроны не рассеиваются на слишком большом количестве фононов и если длина устройства составляет около 100 нм. Было обнаружено, что такой транспортный режим зависит от краевой структуры наноленты и энергии электронов.^[7]

Кремниевые нанопроволоки

Часто ошибочно думают, что Si нанопроволоки представляют собой баллистические проводники с квантовыми ограничениями. Между углеродными нанотрубками (полыми) и Si-нанопроводами (твердыми) есть существенные различия. Нанопроволоки имеют диаметр около 20–50 нм и являются трехмерными твердыми телами, в то время как углеродные нанотрубки имеют диаметр, близкий к длине волны электронов (2–3 нм), и по существу являются одномерными проводниками. Однако все еще возможно наблюдать баллистическую проводимость в нанопроволоках Si при очень низких температурах (2–3 K).^{[нужна цитата ]}

Изотопно обогащенный алмаз

Изотопно чистый алмаз может иметь значительно более высокую теплопроводность. Видеть Список теплопроводностей.^{[нужна цитата ]}

Баллистический тепловой транспорт

Теплопроводность может испытывать баллистический перенос тепла, когда размер нагрева больше, чем длина свободного пробега фононов. Баллистический перенос тепла наблюдается в системах из нескольких материалов. ^[8]

Смотрите также

• Адиабатический контур
• Баллистический сборный транзистор
• Баллистический отклоняющий транзистор
• Превышение скорости

Рекомендации

1. Такаянаги, Кунио; Кондо, Юкихито; Охниши, Хидеаки (2001). «Подвешенные золотые нанопроволоки: баллистический перенос электронов». JSAP International. 3 (9). S2CID  28636503.
2. Суприйо Датта (1997). Электронный транспорт в мезоскопических системах. Харун Ахмад, Алек Броерс, Майкл Пеппер. Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета. С. 57–111. ISBN  978-0-521-59943-6.
3. Паставски, Орасио М. (15 сентября 1991 г.). «Классический и квантовый перенос из обобщенных уравнений Ландауэра-Бюттикера». Физический обзор B. 44 (12): 6329–6339. Bibcode:1991ПхРвБ..44.6329П. Дои:10.1103 / PhysRevB.44.6329. PMID  9998497.
4. Паставски, Орасио М. (1992-08-15). "Классический и квантовый перенос из обобщенных уравнений Ландауэра-Б" Уттикера. II. Нестационарное резонансное туннелирование ». Физический обзор B. 46 (7): 4053–4070. Bibcode:1992ПхРвБ..46.4053П. Дои:10.1103 / PhysRevB.46.4053. PMID  10004135.
5. Чжай, C; и другие. (2016). «Межфазное электромеханическое поведение на шероховатых поверхностях» (PDF). Письма об экстремальной механике. 9: 422–429. Дои:10.1016 / j.eml.2016.03.021.
6. Koswatta, Siyuranga O .; Хасан, Сайед; Lundstrom, Mark S .; Anantram, M. P .; Никонов, Дмитрий Евгеньевич (10.07.2006). «Баллистичность полевых транзисторов из нанотрубок: роль энергии фононов и смещения затвора». Письма по прикладной физике. 89 (2): 023125. arXiv:cond-mat / 0511723. Bibcode:2006АпФЛ..89б3125К. Дои:10.1063/1.2218322. ISSN  0003-6951.
7. Кох, Матиас; Амл, Франсиско; Иоахим, христианин; Гриль, Леонхард (2012-10-14). «Зависимая от напряжения проводимость одиночной графеновой наноленты». Природа Нанотехнологии. 7 (11): 713–717. Bibcode:2012НатНа ... 7..713K. Дои:10.1038 / nnano.2012.169. ISSN  1748-3387. PMID  23064554.
8. Кан, Джун Санг; Ли, человек; Ву, Хуан; Нгуен, Худуй; Ху, Юнцзе (2018). «Экспериментальное наблюдение высокой теплопроводности в арсениде бора». Наука. 361 (6402): 575–578. Bibcode:2018Научный ... 361..575K. Дои:10.1126 / science.aat5522. PMID  29976798.

дальнейшее чтение

• Ду, Сюй; Скачко, Иван; Баркер, Энтони; Андрей, Ева Ю. (20.07.2008). «Приближающийся баллистический транспорт в подвешенном графене». Природа Нанотехнологии. 3 (8): 491–495. arXiv:0802.2933. Bibcode:2008НатНа ... 3..491Д. Дои:10.1038 / nnano.2008.199. ISSN  1748-3387. PMID  18685637.
• Jalabert, R.A .; Pichard, J.-L .; Бинаккер, К. В. Дж. (1994). «Универсальные квантовые сигнатуры хаоса в баллистическом переносе». EPL (Еврофизические письма). 27 (4): 255. arXiv:cond-mat / 9403073. Bibcode:1994EL ..... 27..255J. Дои:10.1209/0295-5075/27/4/001. ISSN  0295-5075.