Малая треугольная квантовая точка: формирование, эффекты кулоновской блокады и одночастичной интерференции

• Автор: Ткаченко, Виталий Анатольевич
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 111 с. : ил.

Глава 1. Литературный обзор

§1. Область, методы и объект исследований

Уменьшение размеров и размерности электронных систем: мезоскопика (13). Базовые теории электронного транспорта (14). Полупроводниковые наноустройства (15). Численное моделирование полупроводниковых наноустройств (16). Интерференционный транзистор и квантовая точка (16). Треугольные квантовые точки (17).
§2. Основные методы численного моделирования АКЗаАвДлаАз субмикронных квантовых и одноэлектронных устройств
Трехмерная электростатика (19). Наноструктура как часть широкого канала. Спектр одномерных подзон (21). Двумерный квантовый транспорт. Коэффициент прохождения (22). Одноэлектронный транспорт в системах с одним кулоновским островом (23). Системы кулоновских островов (27). Алгоритм расчета тока в одноэлектронном устройстве с произвольным числом узлов по методу Монте-Карло (29).
§3. Электростатический потенциал, спектр одномерных подзон и резонансы Фано в кольцевом баллистическом интерферометре на основе гетероперехода АЮаАз/ОаАБ [18]
Введение (31). Структура. Электростатический потенциал (33). Электронная плотность. «Тройник» (34). Энергетический спектр одномерных подзон (34). Двумерный квантовый транспорт. Осцилляции кондактанса. Резонанс Фано (37). Результаты и выводы (39). Результаты и выводы из предшествующих исследований (40).

Глава 2. Одноэлектронная зарядка треугольных

квантовых точек кольцевого интерферометра [23,27]

Введение (41). Структурные данные (43). Экспериментальные данные. Эффект Ааронова-Бома (45). Наблюдение кулоновских осцилляций (47).
Моделирование устройства. Электростатика (53). Зарядовая энергия (57). Спектр одномерных подзон (59). Вероятность прохождения баллистического электрона (61). Состояния кольцевого движения (64). Моделирование одноэлектронной зарядки (66). Моделирование эффектов кулоновской блокады (69). Результаты и выводы к главе 2 (73).
Глава 3. Одиночная малая трехвходовая точка:
одноэлектронный и интерференционный транзисторы
§1. Кулоновская блокада в латеральной треугольной квантовой точке малых размеров [24,25]
Введение (77). Образцы (77). Компьютерное моделирование потенциала и электронной плотности (78). Экспериментальные данные и сравнение с расчетами (80). Обсуждение (83). Результаты и выводы (84).
§2. Когерентное рассеяние баллистических электронов в малой трехвходовой квантовой точке [26]
Введение (84). Экспериментальные данные (85). Моделирование когерентного транспорта (89). Расчет волновых функций (93). Результаты и выводы (95). Результаты и выводы к главе 3 (95).

Актуальность темы. Малая треугольная квантовая точка, возникающая в развилке электростатически формируемых узких квантовых проволок, является новым объектом исследования в физике субмикронных структур. Развилка квантовых проволок является важной, но слабо изученной низкоразмерной системой. Абстрактная точечная развилка одномерных электронных систем была придумана в середине XX века для моделирования движения делокализован-ных электронов в разветвленных углеводородных молекулах [1]. Далее она потребовалась как точка контакта воображаемого потенциометрического зонда к одномерной проволоке в связи с уточнением ситуации, в которой работает исходная формула Ландауэра для электрического сопротивления [2]. Наконец, аналогичная развилка была введена в рассмотрение как точка контакта подводящих проводников к одномерному кольцу Ааронова-Бома в связи с изобретением кольцевого электронного интерферометра [3]. Точечная развилка в этих и более формальных работах по квантовым графам [4] рассматривалась как простейший делитель одномерной электронной волны по трем направлениям, включая обратное.
Вот уже 20 лет развилка реальных многомодовых квантовых проволок является элементом полупроводниковых субмикронных устройств, создаваемых электронной литографией и плазмохимическим травлением на основе [5] и эпитаксиальных гетероструктур ОаАэ/АЬ-ДЗагАз с двумерным электронным газом (ДЭГ) [6-8]. Появившиеся численные модели таких развилок (Т-, У-переходов и соединений проволок с кольцами) уже учитывают конечную ширину соединяемых проволок, но, как правило, далеки от реальной геометрии электронной системы. Например, рассмотрение квантового транспорта ограничено очень идеализированными двумерными системами с резкими границами или скачком потенциала на этих границах [9-11]. Иногда плавный потенциал задается простой феноменологической формулой [12].
В то же время, использование наиболее распространенных ОаАз/АЮаАз структур предполагает формирование низкоразмерных объектов в ДЭГ не рез-

Рис. 10. Влияние на затворные характеристики образца N2 слабых (а) и умеренных магнитных полей (Ь) (кривые смещены по вертикали).
9с, с!). Когда сдвоенные пики расходятся на максимальную дистанцию, можно говорить об удвоении частоты кулоновских осцилляций (рис. %, е). Кондактанс образца N2 был измерен только при Т = 0.1 К, однако удвоение и расщепление пиков при Т = 1.3 К зарегистрировано также для образца N1 (вставка к рис. 86, с). Теоретические и экспериментальные исследования кулоновской блокады в двойных квантовых точках [104-107] позволяют предположить, что наблюдаемый здесь эффект дублетного расщепления кулоновских пиков является следствием одноэлектронной зарядки двух взаимодействующих квантовых точек, присутствующих на входе и выходе кольца.
Дополнительные измерения подтверждают кулоновскую природу частых затворных осцилляций. Так, в отличие от осцилляций прыжковой проводимости в закрытых системах [114] и интерференционных осцилляций по затворному напряжению в открытом интерферометре [14], положение пиков кондактанса в нашем случае почти не зависит от магнитного поля (рис. 10а, Ь).
В умеренных магнитных полях В ~ 1Т наблюдаются слабые сдвиги кулоновских пиков и по сравнению с нулевым полем становится более заметно