电声耦合纳米结电子输运及发热特性研究

On the basis of the nonequilibrium Keldysh Green’s function technique, we investigate the electronic transport of a nanojunction, in which the tunneling electrons are coupled to ionic degree of freedom and outside electron reservoirs with arbitrary strength. Obtained results may help to make predictions for improved designs of nanoscale junctions. We also study the heat generation in a quantum dot coupled to leads of different nature. We focus on how the local heating is affected by the dot level position, level gap, electron and phonon temperatures and external field on the dot. Then we study further the characteristics of local heating under varying dot working conditions. The electron phonon interaction is main cause behind heating in the quantum dot. Phonons can be absorbed or emitted via the electron phonon interaction as one electron tunnels through the dot. Theoretically, we can open only the phonon-absorbing tunnel channel and keep the phonon-emitting channel closed by tuning the relevant parameters properly. Then the dot can be cooled. Based on the heating properties of nanosystems, one can try to find out ways to cool the nanoscale junctions in modern integrated circuits, and then contribute to the further miniaturization of modern chip.

本项目用非平衡格林函数方法研究电声耦合纳米结在任意电声耦合强度和任意纳米结-电极电子隧穿强度环境下的电子输运特性。为改善纳米电子器件设计提供参考。研究与电极耦合的量子点发热受量子点内能级分布，电子间作用，电极电荷分布，电极温度，及外加场的影响情况。深入了解不同环境下纳米尺寸结构内焦耳热特点。量子点发热主要是电声相互作用导致的欧姆热。电子通过量子点时吸收或发射声子。适当调节量子点能级位置，能级间距和电极电子分布，理论上可以打开吸收声子的电子隧穿通道，即电子隧穿通过量子点时吸收晶格振动能量，而关闭释放声子的隧穿通道，从而有效降低量子点工作温度。利用纳米结构焦耳热特性，结合集成电路纳米结实际工作环境，可寻求降低纳米结工作温度的有效方法，为现代集成电路进一步微型化提供有价值线索。

纳米结的一个重要特性是对定域分子振动（即声子）反应敏感，大多数纳米电子器件运行过程中电声耦合效应显著。费米子-玻色子相互作用是多粒子物理学基石之一。因此，固体中电声相互作用问题一直备受关注。本项目采用非平衡格林函数方法探索电声耦合纳米结在具体环境下的电子输运性质和电流引起的发热。（1）研究暴露于一个垂直电磁场和一个射频场下的与一个普通导体耦合的量子点自旋流，发现当电声相互作用足够强时自旋流出现倒峰，且倒峰出现在拉比（Rabi）频率为声子频率整数倍处。原因在于此条件下量子点不同自旋通道可处于相同的能量范围，一个电子可通过两条不同路径穿过量子点。通过不同路径的电子波间发生相消干涉。（2）用孤立玻色子模型研究与两普通导体耦合的单能级量子点电子输运特性，发现即使电子隧穿过程中量子点内没有声子发射或吸收现象，在电流随量子点能级变化曲线共振峰旁仍出现侧峰。这是因为在电子-声子耦合物理系统基态，电子有一定概率处于与多个声子耦合状态。（3）探讨电子占有数对振动量子点输运的重要性，发现即使在零温和量子点能级低于导体化学势条件下电流仍出现峰值，然而若零温下量子点能级高于导体化学势量子点电流为零。最大峰值对应的能级位置及最大峰值和次大峰值间差值都与量子点电子占有数有直接关系。（4）量子点内电声作用导致在系统基态电子有一定概率处在与声子耦合的状态。通过发射声子电子可向低能谱峰跃迁。对于一个产生自旋流的物理系统，当其自旋向上和自旋向下谱峰重合时一个量子点电子有两条路径释放声子，两声波间将发生干涉。研究发现声波间干涉导致量子点发热速率陡增。本项目研究发现了量子点在不同工作环境中的电子输运性质和发热特性，所得结果可为改善纳米电子器件设计提供有价值线索。