纳米结构中的介观现象——弹道输运.ppt

《纳米结构中的介观现象——弹道输运.ppt》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第四章纳米结构中的介观现象纳米结构中的介观现象4.1特征时间、空间尺度4.1.1特征长度4.1.2系统尺度与半导体材料特征参数4.2纳米结构中的新现象4.2.1弹道输运4.2.2相位干涉4.2.3普适电导涨落4.2.4弱局域化4.2.5载流子热化4.2.6遂穿现象4.2.7单电子现象与库伦阻断特征长度固态器件的尺度从微米缩小到纳米尺度会使系统从量变引起物理性质的质变尺度的变化导致研究内容和学科的变化-下图1：自然与人造物体空间尺度（不同学科）-下图2:人手皮肤显微放大图特征长度特征长度特征长度特征长度纳米电子学的特征尺度与纳米电子学相关的时间和空间特征尺度可以分为：

2、——与电子波长相关的特征长度——与动量相关的时间和空间特征尺度——与相位相关的时间和空间特征尺度特征长度纳米电子学涉及的主要特征长度：——费米波长(λF)费米面附近的电子德布罗意波长，简称费米波长。费米波数kF可以表示为电子密度的均方根，相应的费米波长也可以表示为：当电子密度为5×1011/cm2,半导体材料中电子的费米波长大约为35nm.特征长度费米波长的作用在低温条件下，电流主要是能量接近费米面的电子所负载，因此相关的电子波长就是费米波长。其他能量低于费米能的电子具有较长的波长，它们对电导没有贡献。当系统的尺度接近费米波长时，粒子的量子涨落非常强。而当尺度远远小

3、于费米波长时，粒子的能量涨落相对较弱。因此，它的量子相干性容易受破坏。特征长度——平均自由程(lm)一个电子在完整的晶体中运动就像一个具有有效质量的电子在真空中运动一样。具有有效质量的电子在完整晶体中受散射而偏离称为碰撞。电子从一个态散射到另一个态，改变了电子的动量。两次碰撞间平均间隔时间为动量弛豫时间为两者之间的关系为特征长度其中，因子αm（在0与1之间）表示在动量破坏的过程中单独一次碰撞的效果。如果碰撞仅使得电子散射一个小的角度，在一次碰撞中仅有比较少的动量损失。此时，αm因子就非常小，动量弛豫时间就远比碰撞时间长。平均自由程是电子初始动量破坏之前电子行进的距离

4、，因此其中Vf是动量弛豫时间，而τm是费米速度费米速度由下式给出特征长度当电子的密度是5×1011/cm2,则VF=3×107cm/s.假设动量弛豫时间为100ps，可得到平均自由程lm=30um。平均自由程的作用当导体的尺寸远大于这些特征长度，导体通常为欧姆导体。当导体的尺寸接近或小于这些特征长度，导体可以是弹道导体、介观导体等。特征长度与相干性相关的几个特征长度非弹性平均自由程——载流子不受非弹性散射的平均自由运动路程。相位相干长度——保持波列具有相干性的空间传播长度相位弛豫长度这些特征长度都与特征时间相关。特征时间包括：相位相干时间——电子分拨保持相干性的平均

5、时间相位弛豫时间——相位的均方变化的数量级达到1时所需要的时间。特征长度相位弛豫时间（τφ）类比于动量弛豫时间，有其中αφ表示破坏相位的单个碰撞的效应相位比动量更容易受到破坏更仔细的讨论要求对不同的散射过程定义不同的散射因子αφ特征长度影响特征长度的因素这三个特征长度与材料和外界条件有关：金属和半导体中均存在缺陷、晶格不完整性、晶粒边界、空位和掺杂等因素引起的不规则性电子与这些不规则的晶格势能相互作用，从而导致特征长度随材料的不同也不尽相同。它们也随着系统的温度（声子）和是否有外磁场而改变特征长度电子－电子散射效应使相位随机化的碰撞的一个重要来源是电子－电子相互作用

6、由于互相之间的库仑排斥作用，电子会散射其他电子（它不是定态的）平均自由程（Lm）不受电子散射的影响因为这样的过程不使净动量有任何损失一个电子的任何动量损失被另一电子得到结果有效因子αm是零,而有效因子αφ却不为零特征长度电子－电子散射的频率依赖于电子相对于费米能级的过剩能量一个具有小的过剩能量的电子只能有非常少的态被散射进入，因为大多数态低于费米能级而被填满因为这个原因，当时，散射受到不相容原理的强烈抑制。特征长度杂质散射效应如果杂质具有内部自由度，它的态就能够改变，这时的杂质散射也能够使载流子相位随机化。例如，磁杂质内部自旋可随时间涨落。与这样的杂质碰撞可以引起相

7、位的弛豫这一点已经在测量介观金环电导中观察到，当磁性杂质用离子注入的办法引入，在磁场中电阻的谐振被破坏。刚性杂质的碰撞不破坏载流子的相位特征长度声子散射效应由于声子是非定域的，一个声子可以对A-B环的两个臂有相同的的影响在这种情况下，两个臂以相关的方式使相位随机化，所以它们的相位差不受影响。这样的过程对于相干性不产生影响因此，可以预料长波长的声子对相位破坏的影响很小特征长度不同散射机制的弛豫时间不同散射机制相应的弛豫时间是不相同的长波长的声子对弛豫时间贡献很小电子－电子散射对于弛豫时间的贡献决定于电子高于费米能级的过剩能量刚性杂质对于弛豫时间基本上没有贡献特征长