文摘
可能性的一种小说类型的传感器检测纳米尺度的物质(例如,大分子或集群)的分子通过其对电子隧穿的影响在一个双纳米半导体异质结构进行了探讨。我们研究了光谱分布的局部/单电子的离域州双量子阱(DQW)与轻微的不对称扰动。不对称是建模的修改点形状和监禁的潜力。电子能量限制的不确定性能级的光谱差异QWs分开。因此,我们建立了一个直接的电子定位的不确定性和能量之间的关系的不确定性。我们展示了在各种情况下,一个小违反对称性大大影响电子定位。这些现象可以用来设计新的传感功能。这些传感器的电荷传输是高度敏感的对称违反检测物质造成的。电子定位构成了传感器的检测信号。
1。介绍
新一代的纳米传感器正在进行中,预计将彻底改变现代工程领域,包括生物工程和纳米药物输送系统,等等。半导体异质结构,如量子点和戒指,感兴趣的高发展的这些纳米传感器,以及许多其他预测nanodevices。特别重要的是发生在纳米尺度的电子隧穿这类设备的元素。双量子系统促进研究相关的隧道势垒穿透效应在双势(1]。当一个量子系统的元素得到耦合、退化的能量势垒分割水平时,由于他们共同的波函数。因此,两个近简并态下形成,电子的波函数的线性组合的孤立点。同样,电子光谱的双量子点形成的一组quasidoublets是描述在一维形式给定(1为双量子井。理论分析的一个例子介绍了双量子点在2,3]。这些不同方面的实验研究支持(自旋效应,耦合距离,电子声子耦合,混合纳米结构,等等)是紧密相连的,和控制,在DQDs电荷隧穿。这些方面是广泛地发展;见,例如,(4- - - - - -6]。最近,我们报道在7),单电子本地化/非定域化的状态和DQWs隧道和DQDs高度敏感的违反反射对称点。应该注意的是,这方面相关的量子点现实,随着制造技术生产点阵列与不完美的形状和分布。本质上这些缺陷导致量子点中的混沌行为。已经证明,混乱强烈影响电荷传输和量子点的其他属性(8,9]。电子隧穿的相关性和混乱在现实QD下一代nanodevices数组是显而易见的,例如,未来的单分子的纳米传感器,量子计算设备和先进的太阳能电池,等等。
在当前我们研究电子光谱分布的局部/非定域化的状态和在DQWs隧道。平均坐标是用来描述一个电子的本地化。我们讨论的情况下相同QWs构成DQW,作为一个例子,当不确定性原理。电子定位的不确定性时电子能量的差异在左和右QW很小;这是几乎相同的QWs的情况下。的几何对称性侵犯造成的差异和/或禁闭势在左和右QWs彻底讨论。
2。在/砷化镓量子点的有效模型
我们认为InGaAs在砷化镓衬底组成的量子点。这种量子点的制备是在(10,11例如,]。量子点在实践中,平均横向尺寸和高度41和1.6 nm,分别与变化在23%和28%,分别。因此,在我们的模型用QD维度是不同的在这些限制。量子点的横向分布的(二维数组)最小化的计算资源。底层建模利用量子问题摄动单次能带方法,由薛定谔方程在数学上制定如下(12]:
在这里是一个乐队哈密顿算符,是电子有效质量,取决于电子的位置,然后呢带隙势,零QW内,,等于常数QW外。的价值被定义为大部分的传导带偏移量。导带的带隙潜在的选择电动汽车(13]。的大小是计算,在那里和QD的带隙和衬底,分别。的系数可以不同的传导和价带。在这里,无因次常数值取自[14]。导带的,价带。使用实验值电动汽车和电动汽车,电动汽车传导带的了。在大部分的有效质量和砷化镓和分别为(15),自由电子的质量。是潜在的有效模拟应变效应;它是吸引力和QW内部的行为。潜在的可以选择的大小(12)复制实验数据。在介绍工作,的大小导带是0.21 eV。这个值,结果8日乐队计算的16)很好地复制(17]。
3所示。两层体系的波函数
单电子光谱的两级系统被定义为一组quasidoublets [1]。每个quasidoublet的一维波函数可以表示如下(1]: 在哪里 关系(2)表明,波函数分解的基础上组()。的参数是一个量子系统元素的耦合系数。这取决于“平静的国家”的波函数重叠和左派和右派的量子点被认为是分离。是分离QWs的能量差。它被定义为每个能级的光谱。带隙模型的说明与有效的潜在呈现在图1。
在(2),我们忽略了相移,因为它没有在目前的情况下发挥作用。的能量差伴随着quasidoublet分裂对于QWs分开。
评估电子定位,分析了单电子的平均坐标,计算为相关,分别,,被认为是分离。的两个QWs坐标原点的中点。平均坐标(电子的)状态()可以写成 quasidoublet光谱(即相应的水平。DQW谱)。由于依赖,单电子谱构成的三个部分:非定域化的州(),本地化的州(),国家有不同的概率在左和右QWs本地化。这个方程源于(3),提供了之间的关系参数和本地化/离域电子在DQW的可能性。图2说明了这种关系,显示了域范围位置和移位发生。
根据关系(3),电子定位DQW小违反DQW对称,是极其敏感的时候。分化的关系(3),可以获得一个估计的敏感性(条款2能量差的小变化:
由于广场在分母上,小的变化导致大前因子的变化关系(2)和(4)。因此,对于弱耦合QWs单电子能量最小的不确定性,而电子定位的不确定性很大。这一事实与不确定性原理是一致的。
4所示。数值结果
4.1。相同的QWs
实验证明圆盘形状的艾娜/砷化镓量子点构成双量子井。在本节中我们考虑相同的量子井,等于半径nm。实验实现该系统的一个例子是在(10,11),量子点生长高度对称和不受任何横向伸长。
电子的平均坐标在这个DQW系统计算为每个级别的单电子光谱,根据上面的描述模型。结果呈现在图3。在DQW quasidoublet光谱,光谱分布出现对称的相对轴,由于关系(4)。此外,单电子的能谱可以排序根据电子定位概率,作为一组本地化州(在左侧QW或右QW,),非定域化的状态(例如,),在左和右QWs不同概率。值之间的竞争和耦合系数在(2)- (3)定义了类型的电子定位系统。理想情况下的相同的QWs,即当的波函数表示为非定域化的状态,。应该注意的是,薛定谔方程的数值离散化有限元网格会导致明显的计算错误。因此,理想的对称系统不能解决数值,和计算机建模,而导致与不对称QWs有关的解决方案。我们可以看到在图3,有很强的光谱分布的偏差的平均坐标,计算两个interdot距离小的值不同。这种不稳定性更强的中间区域,不同概率水平定位在左和右QWs被发现。
(一)
(b)
评估计算的准确性我们应用不同的网格。图4显示了敏感的光谱分布调优离散化网格。相对于网格变化结果是不稳定的。特别是,各州有不同定位概率的计算(左和右QWs)不稳定的不确定性由于计算错误(人工)和关系(3)。一个可以使用quasidoublet分裂的能量在基态,作为参考,对离散化的影响进行评估。图4显示三个网格和插图给结果、能源分裂quasidoublet的基态。看来,网格越细越小。因此,我们假设下面的计算结果相同的QW的数值误差电动汽车。
localized-delocalized州的可视化动态艾娜/砷化镓DQW图给出5,平均坐标提出了作为interdot距离的函数(参见[7])。当QWs之间的距离很大,电子是本地化QWs之一;在这种情况下,参数。当interdot距离减少,增加电子隧穿和波函数在整个传播双系统,。所有国家成为interdot离域距离小于17海里。本地化州发生interdot距离大于25 nm。
此外,我们可以看到在5),电子定位演示了QW形状的极端敏感性小的变化,这也违反了DQW左右对称。不对称点的形状将在下一节中讨论。
4.2。不对称DQW
让我们考虑两个圆形QWs不一致。DQW被定义为不对称参数。我们选择了非常小的不对称(例如,),几乎相同的QWs导致相关的量子效应和模拟的现实QW数组。在这项研究中,我们改变interdot距离。并给出了计算结果图6,平均坐标在单电子光谱显示四interdot距离。从远距离interdot距离逐渐降低,当QWs分开,联系QWs。
与前面讨论的相同的DQWs,为不对称DQW interdot距离使量子态成为离域,在整个光谱,更小。例如,当等interdot距离小于7海里,而它等于17海里QWs相同。
之前它已经被发现(7]QW半径非常小的差异在DQW(比例略小于1)大大影响局部的光谱分布/非定域化的状态。这样违反了DQW形状对称定义的小变化根据(3)。而且,根据(4),小的变化能引起重大变化系数的线性组合(2),从而大大改变了波函数。
典型的图像光谱分布的平均坐标如图7(一),这是获得interdot距离nm。光谱容易分为局部状态(上谱水平),州有不同的定位概率左派和右派QW(过渡状态),和非定域化的状态(低洼的国家)。关系(4)解释光谱分布的平均坐标如图7(一)。
(一)
(b)
矩阵的元素(这也是quasidoublet能源分裂成比例(18)可以描述使用以下关系:,在那里重叠积分、近似,集成领域QWs之间的区域;看到插图在图7 (b)。在重叠积分,波函数是标准化的。的分布沿着频谱如图7 (b)。波函数重叠的大小取决于量子物体之间的距离和QWs传播的波函数。一般来说,矩阵元素更大上水平相比,那些低洼的水平。这是由于这样的事实,光谱的上层有更广泛的波函数。大的值相关的大吗值(即,),这样的水平;在这种情况下,电子定域态,可以看到在图7(一)。
的对称性破坏DQW也可以由不同的约束力量QWs之一。在图8,这种变化的结果提出了QWs具有相同的形状。DQW不对称的大小是增加了增加的潜力电动汽车,电动汽车,电动汽车,电动汽车。最后的价值光谱中所有国家成为本地化。注意,最初美国离域,由于选择短interdot距离(海里)。我们又一次看到这样的快速转换电子定位(由于对称性破坏)是可能的最小条件下的电子能量的不确定性。转换的速度和灵敏度很高QWs几乎相同。
一个例子给出图对称性破坏的影响9,DQW不对称是由一个小的量子阱(QW的权利2)。平均坐标绘制电子光谱的不同深度削减(和1 nm)在图给出9 (b)。解释这些数据可以通过注意到不对称的减少(通过形状变化或减少能量的不确定性限制)导致电子系统中位置的不确定性增加。对于更大的深度,DQW主要是局部的州州。
(一)
(b)
额外的对称性破坏效应提出了数字10和11,我们比较两种情况下的隧道:小()和相对较大的()的不对称DQW固定interdot距离。这是由一个QW圆形,中间一个半径纳米和一个椭圆长轴沿QW设在()。的值和如图10 ()。再次,离域的数量水平出现较大的情况下小的不对称。非定域化的州的“随机”分布的光谱与矩阵元素的分布有关反映在的分布积分。的参数变化两个度对不同光谱的水平。以最小的水平直接与光谱的非定域化的状态,显示在图10 (b)。我们可以注意到的价值相对较大,相对较小,相应的状态可以离域。因此,我们可以把范围和主要局部状态,主要非定域化的地区(见垂直和水平线)。非定域化的州的数量增加不对称时减少;这些可以通过比较数据来进行评估10 (b)和11。很明显,当不对称变得越来越大,美国消失。
(一)
(b)
违反DQW形状对称很大程度上影响局部的光谱分布不同能级分裂/非定域化的状态,体现了很大的能量差。这种效应可以顺利地适用于nanosensing功能。我们现在在图12建模的结果非对称DQW在中央凸起QW的边缘2,如图12(一个)。突起扮演的角色缺陷生长量子点或异物吸附表面的一个点,最初是相同的对等。
(一)
(b)
似乎从数据图12移位的程度是一个突起的大小的直接功能,正如上述缺陷或吸附的物质。这提供了可能性意义突起的大小。校准的传感功能可以通过我们的建模和通过改变缺陷的大小,分别吸附的物质。
5。结论
我们研究了光谱分布的局部DQW /非定域化的状态。DQW似乎极其敏感的电子定位小违反对称DQWs由于关系(5)接近零。对称性侵犯的极端敏感性,发现通过我们的建模,可能技术重要。
观察到的电子行为双量子结构可以解释的不确定性原理。我们已经表明,光谱分布的电子平均坐标截然不同的各种类型的DQW对称性侵犯。看来理想情况下相同的QWs不能可靠地数值建模,因为越接近DQW完美对称的形状,越高数值离散化对隧道的影响特性。
我们证明了DQW是一个量子系统适用于感知微小的物质吸附的量子点构成DQW或缺陷的一个点。结节体积能够打破对称,改变DQW的量子态,并引发隧道估计包含一个几千个原子,这是在聚合物大分子和生物分子的大小。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项工作是由NSF (hrd - 1345219)和MSRDC财团(001年奖w911sr - 14 - 2 - 0001 - 0002)。