Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Давыд Цуриков. Диссертация. 2015 г

..pdf
Скачиваний:
17
Добавлен:
21.03.2016
Размер:
1.91 Mб
Скачать

121

2 9 3

1

8

10

4

 

 

 

7

11

 

6

12

5

 

Рис. 27. Схема гексагональной квантовой сети. Сплошные линии – внутренние узлы и рукава, пунктирные линии – внешние узлы и рукава.

Будем полагать, что

{ak = 0}k I E

(348)

Это не умаляет общности задачи, так как границы узлов с рукавами условны. В любой сети их можно провести так, что будет выполнено равенство (348). При этом узлы модифицируются, а рассеивающие свойства сети останутся прежними.

Одноканальное приближение

Движение электрона в гексагональной квантовой сети (рис. 27) описывает её расши-

ренная матрица рассеяния S[E] . S-матрицу сети можно найти на основе S-матриц её узлов посредством сетевой формулы (167). Операция объединения (164) определяется согласно формуле объединения (160), которая в случае (348) имеет вид

 

[J,K]JJ

 

JL

 

[J,K]JK

 

JK

 

 

S[J,L] = S

 

O

 

 

+ S

 

 

 

O

 

 

×

 

 

OLJ S[K,L]LL OLK S[K,L]LK

 

(349)

 

 

[J,K]KK

 

 

KK

1

 

[J,K]KJ

 

KL

 

 

 

 

 

× S

I KK

 

I

 

 

 

S

 

 

O

 

 

 

 

 

S[K,L]KK

 

OKJ

 

S[K,L]KL

Расширенные матрицы рассеяния в формуле (167) являются бесконечными в силу бесконечного числа каналов в рукавах. В численных расчётах конкретных физических систем учитывается их конечное число. При расчёте S[E] учтём только первый открытый канал: {κmk }km ={κ1k }k , {Im(κ1k ) = 0}k . Тогда (167) примет вид:

A N

(350)

S[E]

S[A]

11

11

 

S11Y

122

Выражение (350) – одноканальное приближение для S-матрицы квантовой сети. В этом случае, согласно выражению для C-матрицы (198) и свойству (347), S11 = C11 . Поскольку первый канал является открытым, C11 унитарна (200). Следовательно, S11 унитарна также:

S11

 

11 = I11 =

 

11S11

(351)

S

S

и квадраты модулей её элементов имеют вероятностную интерпретацию. Здесь выражение (351) верно для матриц с любым идентификатором узла.

Для гексагональной сети (рис. 27) имеем

 

 

 

 

{S11[A] = S11Y }A N

 

(352)

где S Y

– матрица

S

++

симметричного Y-узла. Поэтому для расчёта

S[E]

посредством

11

 

 

 

11

 

(350) следует найти

S

Y .

 

 

 

 

 

11

 

 

 

S-матрица симметричного Y-узла

Вид S11Y как функции энергии определяется геометрией узла и электростатическим потенциалом в нём. Чтобы выявить характерные особенности транспортных свойств сети во всевозможных случаях, проведём параметризацию S-матрицы симметричного Y-узла.

имеет следующую структуру:

 

μ1

μ2

μ2

 

 

S Y

=

μ

2

μ

μ

2

 

(353)

11

 

 

 

1

 

 

 

 

 

μ

2

μ

2

μ

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

Из (351) и (353) следует

μ

μ

+ 2μ

μ

 

=1

 

 

(354)

1 1

2

 

2

 

 

 

μ1

μ

2 + μ2

μ1 + μ2

μ

2 = 0

 

Полагая, что μ1,2 =: ρ1,2 exp(iϕ1,2 ) , из (354) получим

 

2

2

=1

(355)

 

ρ1

+ 2ρ2

2ρ1 cos(ϕ1 ϕ2 ) + ρ2 = 0

 

Введём обозначение:

η := −cos(ϕ1 ϕ2 )

(356)

123

Так как модули комплексных чисел неотрицательны: ρ1,2 0 , из второго равенства систе-

мы (355) и (356) следует

 

 

 

 

 

 

 

0 η 1

 

 

 

(357)

С учётом (356) систему (355) запишем в виде

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

2

=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ρ1

+ 2ρ2

 

 

 

(358)

 

 

 

 

 

 

 

 

2 ρ

2 =

ρ2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4η

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

2

 

 

 

 

Отсюда имеем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ρ = (1+8η2 )1/2

,

ρ

2

= 2η(1+8η2 )1/2

 

 

(359)

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вводя обозначение θ :=ϕ1 , из (356) получим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ϕ2 =θ arccos(η)

 

 

 

(360)

Таким образом, согласно (359) и (360) имеем параметризацию для S Y

(353):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11

 

 

 

 

 

2

 

1/2

exp(iθ)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

μ1 = (1+8η

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

, 0

η 1, 0

θ 2π

(361)

 

 

= 2η(1+8η2 )1/2 exp(i[θ

 

 

 

 

μ

2

arccos(η)])

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Численный расчёт

На основе (350), (352), (353) и (361) найдём матрицу коэффициентов рассеяния гексагональной квантовой сети (рис. 27)

P[E] ={| S[E]kl |2

}k ,l E

(362)

11

11

 

 

Графики её элементов как функций параметра z =ηeiθ изобразим в комплексной плоско-

сти. Область определения каждого из них – замкнутый единичный круг: {z C|| z |1} (рис. 28, слева). Каждая точка круга будет иметь оттенок, отвечающий значению коэффициента рассеяния в ней. Соответствие значения оттенку задаёт палитра (рис. 28, справа).

График матрицы коэффициентов рассеяния (362) (рис. 29) имеет симметрию, анало-

гичную симметрии сети (рис. 27). В первой строке уникальны элементы P11[E]11 , P11[E]12 ,

P11[E]13 , P11[E]14 , при этом P11[E]15 = P11[E]13 , P11[E]16 = P11[E]12 . Каждая строка (столбец) связана с со-

седними циклической перестановкой элементов. На рисунке видно, что коэффициенты рассеяния π -периодичны по параметру θ , что объясняется спецификой параметризации. Графики диагональных элементов говорят о преобладании отражения (тёмные участки) и возможности существенного прохождения (светлые участки). Наблюдается пониженная

124

вероятность прохождения в чётные рукава при чётном входном рукаве, а также в нечётные при нечётном входном.

 

1

Im(z)

 

 

1.0

 

 

 

z = ηeiθ

 

 

 

 

|z| 1

1

 

 

–1

0

 

0.5

 

Re(z)

–1

0.0

Рис. 28. Правило построения графиков коэффициентов рассеяния. Слева – область определения коэффициента, справа – палитра его значений в области.

Рис. 29. График матрицы коэффициентов рассеяния гексагональной квантовой сети в одноканальном приближении.

Каждой реализации симметричного Y-узла соответствует кривая в замкнутом единичном (рис. 28), которая характеризует поведение параметров η и θ как функций ε . Со-

вместив кривую с графиками коэффициентов рассеяния (рис. 29), можно оценить рассеивающие свойства гексагональной сети, состоящей из Y-узлов данного типа.

125

Резюме

В этом приложении рассмотрена задача численного моделирования аллотропных модификаций углерода (графен, фуллерен, нанотрубки) [А5]. Функциональную модель их кристаллической решётки предложено построить на основе задачи рассеяния электрона в гексагональной квантовой сети. В рамках одноканального приближения сформулирована параметризация S-матриц симметричных Y-узлов, образующих сеть. Это позволило отойти от конкретной геометрии узла, потенциала в нём и энергии электрона. Задача сведена к анализу рассеяния в зависимости от одного комплексного параметра, область значений которого – замкнутый единичный круг. В итоге рассчитаны коэффициенты рассеяния гексагональной квантовой сети, состоящей из произвольных одинаковых узлов. Выявлено преобладание отражения электрона от сети, а также возможность существенного прохождения. Установлено, что для всех сетей данного типа прохождение электрона имеет минимальную вероятность для выходных рукавов, находящихся через один от входного.

Приложение F. Адаптированный формализм Ландауэра–Бюттикера

В подразделе 2.3.2 формализм Ландауэра–Бюттикера был адаптирован к используемой системе обозначений (подраздел 2.2.1). В этом приложении приведено математическое сопровождение к нему, которое дополняет изложенный выше материал, а также демонстрирует эффективность оригинальной системы обозначений.

Выражение для токов

Для повышения наглядности математических выкладок при манипуляциях с матрицей вероятностей рассеяния (212) будем записывать в явном виде скобки Айверсона, присутствующие в её определении: Pmnkl (E )=[Ekm < E]Pmnkl (E)[E > El n ] . Тогда согласно (213)– (217) получим

J k = m −∞+∞ dE{

e

f k (E)[Ek m < E] +[Ek m < E]ln Pmnkl (E)

e

f l (E)[El n < E]}=

 

π

π

 

=

e

 

 

+∞ dE[Ek

< E]

{

f k (E)+

 

l

[El

< E]Pkl

(E) f l (E)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

π m −∞

m

 

 

 

 

n

mn

 

 

}

 

 

 

{...}= − f

 

(E)n

[E n < E

]Imn + n [E n < E]Pmn (E) f

 

(E)+

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

k

 

 

 

kk

 

k

 

kk

 

k

 

 

 

 

 

 

 

lk

 

l

 

 

kl

 

 

l

(E)=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+n

[E n < E

]Pmn (E) f

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lk

 

l

 

 

kl

 

f

l

(E)f

k

(E)n

k

 

 

kk kk

 

 

 

 

= n [E n < E

]Pmn (E)

 

 

[E n < E] Imn Pmn

(E)

 

 

126

 

 

 

 

 

J k =

e

m −∞+∞ dE[Ek m < E]{...}

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

(363)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

kl

 

 

l

 

 

 

k

k

kk

kk

 

 

 

 

 

 

 

{...}= n

 

 

<

 

E

 

 

 

f

(E)f

 

 

 

 

 

 

[E n

 

]Pmn (E)

 

 

(E)n [E n

< E] Imn Pmn (E)

Упростим выражение (363). Для этого применим свойство унитарности (200):

 

[mk ,qp O]ln [ln O]Cmnkl C

nqlp =[mk ,qp O]Imqkp ;

 

 

 

 

mk =qp

 

 

 

 

 

[mk O]ln [ln O]Cmnkl C

nmlk

=[mk O]Immkk

; (212)

 

 

 

 

 

 

[mk O]Immkk =[mk O]ln [ln O]Pmnkl =[mk O]ln ([ln =nk ]+[ln nk ])[ln O]Pmnkl =

 

 

=[mk O]n [nk O]Pmnkk +[mk O]lnk [ln O]Pmnkl

 

 

 

 

 

[mk O]lnk [ln O]Pmnkl =[mk O]{Immkk n [nk O]Pmnkk }=

 

 

 

=[mk O]{n [nk O]Imnkk n [nk O]Pmnkk }

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[mk O]lnk [ln O]Pmnkl

=[mk O]n [nk O]{Imnkk Pmnkk }

 

(364)

Перепишем свойство (364) в эквивалентном виде:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[Ek m < E]lnk [El n

< E]Pmnkl (E)=[Ek m

 

< E]n [Ek n < E]{Imnkk Pmnkk (E)}

(365)

Тогда из (363) и (365) получим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

{...}= lnk [El n

< E]Pmnkl

(E) f l (E)f k (E)lnk [El n < E]Pmnkl (E)

 

 

 

{ }

 

 

n

n

 

mn

(

 

){

 

 

(

 

 

)

 

(

 

 

)}

 

 

 

 

 

 

 

...

 

=

 

lk [El

< E]Pkl

 

E

 

f l

 

E

 

f k

 

E

 

; (363)

 

 

 

 

J k

=

e

lmn −∞+∞ dE[Ekm < E][El n < E]Pmnkl (E){f l (E)f k (E)}.

Исключая

избыточные со-

π

гласно определению (212) скобки Айверсона, имеем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J k =

e

lmn −∞+∞ dEPmnkl (E){f l (E)f k (E)}

 

(366)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

где {Pkl

}lk

– матричные коэффициенты прохождения в k-й рукав. Формула (366) в случае

 

 

 

 

mn

mn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

двухконтактного проводника совпадает с результатом (49) работы [26].

 

 

 

 

Отметим, что выше в суммах и наборах с индексом l k

свёртка только по первому

символу: l

– немой символ,

k

– свободный. Например,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lk {...}= l [l k]{...}kl [l k]{...}

 

 

127

Электронные и дырочные токи

Выясним, как модифицируется формула для токов (366), когда необходимо использо-

вать систему отсчёта по энергии с учётом уровней зоны проводимости EC и валентной зоны EV . Поскольку в формуле (366) от выбора системы отсчёта зависит только уровень Ферми, в ней следует выполнить замены

Ek

Ek

E

(367)

F

F

C

 

Ek

E Ek

(368)

F

V

F

 

для электронов и дырок соответственно. Это приведёт к модификации функций распределения (207)

f k (E)=

 

1

 

 

(369)

exp[(E Ek

+ E

) / (k T k )] +1

 

 

 

F

C

0

 

 

f k (E)=

 

1

 

 

(370)

exp[(E E

+ Ek ) / (k T k )] +1

 

 

 

V

F

0

 

 

для электронов и дырок соответственно. В выражении для тока (366) также следует учесть заряд носителей:

e = −e0

(371)

e = +e0

(372)

для электронов и дырок соответственно, где e0 – элементарный заряд.

 

Когда в решаемой задаче не учитываются уровни разрешённых зон EC

и EV , в фор-

муле для токов (366) актуален только заряд носителей (371) и (372).

 

Малые напряжения смещения

Пусть уровни Ферми резервуаров близки к уровню Ферми структуры EF

{EFk EF }k E

(373)

Это происходит в случае малых напряжений смещения (223). Допустим, что температуры резервуаров равны (229). Тогда согласно (207) и (229) запишем

f k (E)= f (E, EFk )

 

 

 

(374)

f (E, EF ):=

 

1

 

 

 

(375)

exp[(E E

 

 

=

)] +1

 

F

) / (k T

 

 

 

 

 

0

 

 

 

128

 

Разложив в (222) f k и f l в ряд как функции уровня Ферми, в точке EF

с точностью до

линейных слагаемых, получим

 

f l (E)f k (E)(EFl EFk )2 f (E, EF )

(376)

Тогда в приближении (373) с учётом (223) и (376) для средней вероятности рассеяния

(222) имеем

Pmnkl Pmnkl := −∞+∞ dEPmnkl (E)2 f (E, EF )

(377)

На основе (374) и (375) выражение для 2 f можно записать в виде

2 f (E, EF )=

1

 

ch2 ([EF E] / [2k0T = ])

(378)

4k T

=

 

 

 

 

 

0

 

 

 

График правой части (378), как функции энергии имеет колоколообразную форму с пиком в точке EF . Это означает, что наибольший вклад в среднюю прозрачность будут вносить уровни {Ek m}km , находящиеся вблизи EF .

С учётом (378) приближение для средней вероятности рассеяния (377) удобно записать в терминах безразмерных величин

Pmnkl =

1

 

−∞+∞ dε[λmk

< ε]

 

Cmnkl (ε )

 

2 [ε > λnl ]ch2 ([εF ε] / [2μ= ])

(379)

 

 

 

4μ

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Согласно (221), выражение для приближённой проводимости примет вид

 

 

 

 

 

σ kl := πe2 mn Pmnkl

(380)

В терминах неё с учётом (220) и (380) можно записать выражения для электрических токов при малых напряжениях смещения:

J k = l σ klU lk

(381)

Поскольку приближённая проводимость σ не зависит от уровней Ферми резервуаров, зависимость электрических токов от напряжения смещения при его малых значениях становится линейной.

Низкие температуры

Рассмотрим случай низких температур:

maxk {T k } 0

(382)

129

В приближении (382) функция распределения (207) примет вид

 

 

 

 

 

 

f k (E)[E < EFk ]

 

 

С учётом (383) для выражения (218) запишем

 

 

 

 

J k

e

lmn −∞+∞ dEPmnkl (E){[E < EFl ] [E < EFk ]}

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

0

E < EFl , E < EFk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E < El ,

E Ek

 

Ek

< El

 

[E < EFl

] [E < EFk

+1

 

] =

 

F

F

 

F

F

 

 

 

 

1

E EFl , E < EFk

EFk > EFl

 

 

 

 

 

 

 

l

k

 

 

 

 

 

 

 

 

0

E EF ,

E EF

 

 

 

 

[E < EFl ] [E < EFk ] = sgn (EFl EFk )[min(EFk , EFl ) E < max(EFk , EFl ]

J k πe lmn dE[E (EFk , EFl )]Pmnkl (E)

Отметим, что здесь используется соглашение:

(383)

(384)

a,b dx[x (a,b)]{...}= ab dx{...}= −ba dx{...}= −dx[x (b, a)]{...}

(385)

При интегрировании переменная принимает значения согласно «направлению» интервала, к которому принадлежит (здесь интервал – 1D аналог ориентированной кривой, задающей направление интегрирования).

Выражение (384) имеет простую физическую интерпретацию: за электрический ток в k-м рукаве отвечают рукава-каналы, энергии которых {Ek m}km находятся между уровнем Ферми k-го резервуара и уровнями Ферми всех остальных резервуаров.

Приложение G. Особенности численной реализации

В этом приложении приведены краткие сведения об особенностях численной реализации развиваемой в работе объединённой схемы расчёта квантового электронного транспорта в низкоразмерных полупроводниковых структурах.

Объектно-ориентированный подход

В основе численной реализации лежит оригинальный программный код на языке C++, базирующийся на объектно-ориентрованной парадигме. Разработанная иерархия вычислительных классов состоит из трёх уровней, различающихся по степени абстракции решаемой задачи. Классы уровня I служат для расчёта транспортных свойств и оптимизации параметров произвольной квантовой сети. В классах уровня II происходит частичная кон-

130

кретизация сети в соответствии с её типом, определяемым набором типовых узлов. Классы уровня III полностью конкретизируют сеть и выводят финальный результат расчёта.

Такая организация программного кода имеет следующие преимущества:

гибкость – возможность легко адаптировать код к конкретной задаче;

универсальность – возможность решать широкий круг задач: от расчёта транспортных свойств параметризованной сети (приложение E) до моделирования наноэлектронных устройств (разделы 3.3–3.5).

Диаграмма классов UML

Описанную трёхуровневую иерархию наследования проиллюстрируем на примере задачи о логическом элементе XOR (раздел 3.5) с помощью диаграммы классов UML (Unified Modeling Language) [70, с. 277] в аспекте реализации на C++ (рис. 30). Диаграмма яв-

ляется упрощённой, так как содержит не все используемые классы, а также только малую часть их атрибутов и операций.

На диаграмме классы изображены прямоугольниками, разбитыми на три блока в соответствии с их элементами: имя, атрибуты, операции. Прямоугольники соединяются линиями. Линия с треугольником на конце указывает на базовый класс для данного [71, с. 373]. Линия с ромбом на конце указывает на класс, агрегирующий данный [71, с. 867]. Записанное курсивом имя класса говорит о том, что класс абстрактный, то есть содержит хотя бы одну абстрактную операцию (виртуальную функцию) [71, с. 385]. Абстрактные операции также выделяются курсивом и конкретизируются в производных классах.

Уровень I. Корневые классы

Класс QuantNet реализует расчёт S-матрицы произвольной квантовой сети в терминах S-матриц её узлов с помощью сетевой формулы (167). Он агрегирует классы JcInNet и BrInNet – узел и рукав в контексте сети соответственно. Массив Brs[]

обеспечивает нумерацию рукавов сети. JcInNet содержит массив номеров примыкаю-

щих к узлу рукавов BrNum[] («рукавный» идентификатор). Поэтому массив Jcs[] зада-

ёт структуру сети N . Операция Combine реализует цикл объединения всех узлов сети в один (167). При наличии в качестве аргумента указателя на объект класса Junc она ини-

циализирует его согласно результату объединения. Так как класс QuantNet не содержит в явном виде энергии электрона, он обеспечивает наиболее общий подход в расчётах по сетевой формуле.

Абстрактный класс Junc реализует основные операции с матрицами S , C и P про-

извольного узла: расчёт, сохранение, копирование. Операция расчёта S-матрицы FindS