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1、4-5 量子结构库仑阻塞效应 库仑阻塞效应 （Coulomb Blockade)1951年,Gorter等人为了解释颗粒状金属电阻随温度下降 所表现出来的反常增加行为，提出库仑阻塞概念。1987年，在由两个微型金属隧穿结串联组成的系统上直接 观察到电导的库仑阻塞振荡。1989年，MIT的Scott-Thomos等人相继在硅反型层构成的 一维沟道结构和GaAs/AlGaAs异质结构一维量子线的电导 测量中，观察到了电导随栅压变化呈现周期振荡。Kouwhenhoven等人利用分离栅在半导体异质结上制成了能 控制单个电子进出的新器件。（称量子点旋转门）1考虑量子点的输运特性 （量子线断开，中间形成量
2、子点库仑岛）SourceDrainIsland施加电压： 量子线部分电流连续流动，且起着输运电荷的作用（转移电荷）转移电荷量可多可少。 库仑岛部分，由于电子间的库仑排斥作用，电荷转移不会是连续变 化，只能按量子力学的隧穿效应，单个电子进行输运。转移电荷量只能是增大一个电子或减少一个电子的电量这样，一个体系中电荷的流动存在连续流动和不连续电荷转移两种 机制。它们间的互作用，将导致一些有趣的效应。2假设：1）量子点（库仑岛）体积非常小，这样它与周围产生的分布 电荷非常小（10-16-10-17F)2) 周围环境温度非常低，以减少热涨落，消除干扰电子的运 动。库仑岛的隧穿过程，实际上为量子线的源对其
3、充电过程。由 充电电荷引入的静电势能可看成： 式中，C为库仑岛的总分布电荷。C很小时，单个电子的隧穿将 导致库仑岛的静电势的明显变化。3（流进：负号；流出：正号） 讨论： a)当|Q|e/2; Q-e/2时, E为负值，就有一个电子能沿特定方向隧 穿到库仑岛。因此，利用库仑阻塞效应，就可能使电子逐个隧穿进出库仑岛 ，实现单电子过程。4单电子振荡设量子点内有N个电子，其电化学势为(N) 调节栅压，使第N+1个电子的电化学势(N+1)与源的势能相 同，低于漏的势能，这是第N+1个电子可以由源共振隧穿 至量子点中，而后，又由量子点隧穿至漏。如此循环。当电子隧穿过量子点时，其电导出现极大值，否则，将被
4、 库仑阻塞。这样，电导将产生周期性振荡。每一个周期， 将有一个电子由源输运到漏，形成以稳定电流。SDGVVgCgee5因而测量量子点电导，就会观察到其随栅压Vg振荡振荡周期：通常EN+1-ENe2/C, 振荡周期变为：e/Cg如果我们在电荷传输过程中，测量库仑岛两端的电压，就会出 现周期性电压振荡现象。每当一个电子转移到库仑岛时，岛两端电压发生e/C的跃变 ，在量子点的I-V曲线上呈现一系列的库伦台阶，台阶宽度 V=e/C。 振荡频率：f=I/e这种振荡-单电子隧穿振荡。( 基于库仑阻塞效应）这个过程必须：kBTe2/C6库仑阻塞与状态量子化量子点内能量不再是准连续态，而是 能隙可大于kBT值
5、的一系列分离的准 零维态。 库仑作用使能级重整化，重整化后能 隙E*= E+e2/C, 如果量子点电容C 足够小， E*将主要由e2/C决定。 这样重整后： 间隙大大增加 更规则相间 自旋相反的两电子分离（退简并）7量子点旋转门器件在电极1、2上分别加相位差180度，频率为f的交流调制信号 来控制量子点接触QPC1,QPC2的势垒高度。 89实际意义 发展单电子器件数字逻辑电路；存储器；单电子晶体管电子的维度被约束的越多，电子的波动性或量子性质就 会更突出。如量子点激光器比量子阱具有：更低的阈值电流密度更好的温度稳定性更高的调制速率更窄的谱线宽度更小的噪音10样品做在Si的（100）面上（100）面上磁量子化，简并度eB/h, （100）面对应k空间100，-100方向两个能谷，简并度2自旋简并度211
