库仑阻塞完整版.ppt

库仑阻塞 历史发展 最早追溯到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。假想材料中每个金属微粒与其周围的微粒在电学上是绝缘的，相互之间存在隧穿势垒。(Single-electron charging effects in electron tunneling were first studied by transport measurements on thin films of small metallic grains) 1987，Barner采用将Ag粒子夹在势垒之间制成超小的电容，首次直接观察到了库仑台阶。台阶宽e/C，相关电流增大为e/RC。 1987，Fulton等在两个微型金属隧穿结串联组成的系统上直接观察到了电导的库仑阻塞震荡。(Fulton and Dolan (1987) for granular systems and thin-film tunnel junctions, respectively.) 1989，MIT的Scott-Thomos等发现由硅反型层构成的一维沟道结构中，电导随栅极电压的变化（即载流子的变化）呈现出周期性震荡。初始以电荷密度波（CDW）理论来解释。(Scott-Thomas et al. (1989) found periodic variations in the conductance of a narrow disordered channel in a Si inversion layer) Houten等认为也可用库仑阻塞效应解释。 PRL,59，807（1987） Ag夹于势垒之间 制作的样品的参数如右图中左上角所示。 PRL,59，109（1987） 由于上图中受噪声影响较大，故而作电导与电压的关系图。这里能清楚的看到电导的震荡。 To be able to observe the conductance oscillations in a more controlled way, Meirav, Kastner, and Wind (1990) suggested the construction of a narrow channel by a lithographically defined gate structure. PRL,59，109（1987） 首先研究单电子的充放电 初： 电子隧穿过e，减少了C上的电荷 ， 电压变为 ，减少能量 减少了的能量阻碍能量小于 的电子的隧穿 这样，对于正常态的Coulomb Gap出现，具体的表现是： <1>对于 电阻增加 <2>在高电压时出现了一个偏移量 PRL,59，109（1987） 所示图更加复杂，但原理与单电子模型相似。定义 为总的电容值。在所有的结都出现Coulomb Gap。 充电效应可被外场周期性的调节 单个电子隧穿 理想的没有旁路电导的金属隧穿结。相当于一个平行板电容器（十几A），接于电流源两边。电容器带电量Q。 能量变化 当 时，系统的能量始终增加。因此上述过程是不允许的，换句话说，只要Q的绝对值小于e/2，隧穿事件被库仑效应所阻塞。 随着Q增大到大于+e/2，隧穿过程从能 量角度讲允许。 单个电子隧穿 伴随着单位电荷+e的隧穿通过，结两端的电压发生e/C的跃变，结上电荷Q减小到稍大于-e/2的数值。随着时间的变化，上述过程重复。结电压出现震荡。 这就是库仑阻塞震荡，它反映了由库仑阻塞造成的电子通过结的逐个隧穿事件。 在偏压小于e/2C时出现了由库仑阻塞引起的非线性。 A-F对应不同的电流偏置点。 半导体量子点中的库仑阻塞效应电压控制方式 制备量子点 导带底沿横穿量子点截面的变化 和 分别表示量子点外左右电极区内的电化学势 当量子点内含有N个电子时的电化学势。 半导体量子点中的库仑阻塞效应不考虑由于周围栅极引入的横向尺寸限度对点内电子状态的影响 点内总静电势 Q只能取e的整数倍，相应的静电势能 若用U(N)表示量子点中基态的总能量，E0(N)为量子点中N个电子的总动能则： 按照定义，点内化学势相当于改变一个电子后基态能量的变化：（假定了量子点中的电子状态是准连续的） 半导体量子点中的库仑阻塞效应 若C小于10E-16F，那么每增加一个电子产生的电化学势的变化 会大于低温下的KBT值。 假设 低于 和 。调节 使 落在 和 之间。 这时电子可以共振隧穿穿过量子点，其电导出现极大值。否则将被阻塞。随着扫描电压的变化， 依