Thomas HeinzelMesoscopic Electronic

Thomas Heinzel
Mesoscopic Electronics in Solid
State Nanostructures
Second, Completely Revised and Enlarged Edition
WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA

This Page Intentionally Left Blank

Thomas Heinzel
Mesoscopic Electronics in Solid
State Nanostructures
Second, Completely Revised and Enlarged Edition
WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA

1807–2007 Knowledge for Generations
Each generation has its unique needs and aspirations. When Charles Wiley first
opened his small printing shop in lower Manhattan in 1807, it was a generation
of boundless potential searching for an identity. And we were there, helping to
define a new American literary tradition. Over half a century later, in the midst
of the Second Industrial Revolution, it was a generation focused on building
the future. Once again, we were there, supplying the critical scientific, technical,
and engineering knowledge that helped frame the world. Throughout the 20th
Century, and into the new millennium, nations began to reach out beyond their
own borders and a new international community was born. Wiley was there, ex-
panding its operations around the world to enable a global exchange of ideas,
opinions, and know-how.
For 200 years, Wiley has been an integral part of each generation’s journey,
enabling the flow of information and understanding necessary to meet their
needs and fulfill their aspirations. Today, bold new technologies are changing
the way we live and learn. Wiley will be there, providing you the must-have
knowledge you need to imagine new worlds, new possibilities, and new oppor-
tunities.
Generations come and go, but you can always count on Wiley to provide you
the knowledge you need, when and where you need it!
William J. Pesce
President and Chief Executive Officer
Peter Booth Wiley
Chairman of the Board

Thomas Heinzel
Mesoscopic Electronics in Solid
State Nanostructures

IV
The Author
Prof. Dr. Thomas Heinzel
Dept. of Solid State Physics
Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
thomas.heinzel@uni-duesseldorf.de
All books published by Wiley-VCH are carefully
produced. Nevertheless, authors, editors, and
publisher do not warrant the information contained
in these books, including this book, to be free of
errors. Readers are advised to keep in mind that
statements, data, illustrations, procedural details or
other items may inadvertently be inaccurate.
Library of Congress Card No.:
applied for
British Library Cataloguing-in-Publication Data
A catalogue record for this book is available from
the British Library.
Bibliographic information published by
the Deutsche Nationalbibliothek
The Deutsche Nationalbibliothek lists this
publication in the Deutsche Nationalbibliogra e;
detailed bibliographic data are available in the
Internet at .
© 2007 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA,
Weinheim
All rights reserved (including those of translation
into other languages). No part of this book may be
reproduced in any form – photoprinting, micro lm,
or any other means – transmitted or translated into
a machine language without written permission
from the publishers. Registered names,
trademarks, etc. used in this book, even when not
speci cally marked as such, are not to be
considered unprotected by law.
Typesetting Da-TeX Gerd Blumenstein, Leipzig
Printing Strauss GmbH, Mörlenbach
Binding Litges & Dopf GmbH, Heppenheim
Printed in the Federal Republic of Germany
Printed on acid-free paper
ISBN:
978-3-527-40638-8

Dedication
To Carola and Alexander

This Page Intentionally Left Blank

VII
Contents
Preface
1
XIII
1
Introduction
1.1
1.2
1.2.1
1.2.2
1.2.3
1.2.4
1.2.5
1.2.6
1.2.7
1.2.8
2
Preliminary remarks 1
Mesoscopic transport 2
Ballistic transport 3
The quantum Hall effect and Shubnikov–de Haas oscillations 5
Size quantization 7
Phase coherence 8
Single-electron tunneling and quantum dots 9
Superlattices 10
Spintronics 11
Samples, experimental techniques, and technological relevance 11
An update of solid state physics 15
Crystal structures 16
Electronic energy bands 18
Occupation of energy bands 27
The electronic density of states 27
2.1
2.2
2.3
2.3.1
2.3.2
2.3.3
2.3.4
2.4
2.5
2.6
2.6.1
2.6.2
2.6.3
2.6.4
Occupation probability and chemical potential 29
Intrinsic carrier concentration 29
Bloch waves and localized electrons 31
Envelope wave functions 32
Doping 36
Diffusive transport and the Boltzmann equation 40
The Boltzmann equation 41
The conductance predicted by the simpliﬁed Boltzmann
equation 44
The magneto-resistivity tensor 46
Diffusion currents 47
Mesoscopic Electronics in Solid State Nanostructures. Thomas Heinzel
Copyright © 2007 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
ISBN: 978-3-527-40638-8

VIII
Contents
2.7
2.8
3
Scattering mechanisms
Screening 50
48
3.1
3.1.1
3.1.2
3.1.3
3.2
3.2.1
3.2.1.1
3.2.1.2
3.2.2
3.3
3.4
3.4.1
3.4.1.1
3.4.2
3.4.3
3.4.3.1
3.4.3.2
3.4.3.3
3.4.4
4
Surfaces, interfaces, and layered devices 57
Electronic surface states 59
Surface states in one dimension 59
Surfaces of three-dimensional crystals 65
Band bending and Fermi level pinning 67
Semiconductor–metal interfaces 68
Band alignment and Schottky barriers 69
The Schottky model 72
The Schottky diode 73
Ohmic contacts 73
Semiconductor heterointerfaces 74
Field effect transistors and quantum wells 77
The silicon metal–oxide–semiconductor ﬁeld effect transistor 77
The MOSFET and digital electronics 81
The Ga[Al]As high electron mobility transistor 84
Other types of layered devices 87
The AlSb–InAs–AlSb quantum well 87
Hole gas in Si–Si1− x Gex –Si quantum wells 89
Organic FETs 89
Quantum conﬁned carriers in comparison to bulk carriers 91
Experimental techniques 97
Sample preparation 97
Single crystal growth 98
4.1
4.1.1
4.1.2
4.1.2.1
4.1.2.2
4.1.3
4.1.3.1
4.1.3.2
4.1.3.3
4.1.4
4.1.5
4.2
4.2.1
4.2.1.1
4.2.1.2
4.2.1.3
4.2.2
Growth of layered structures 100
Metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) 101
Molecular beam epitaxy (MBE) 101
Lateral patterning 107
Deﬁning patterns in resists 107
Direct writing methods 110
Etching 112
Metallization 113
Bonding 115
Elements of cryogenics 116
Properties of liquid helium 117
Some properties of pure 4 He 117
Some properties of pure 3 He 120
The 3 He/4 He mixture 121
Helium cryostats 122

Contents
IX
4.2.2.1
4.2.2.2
4.2.2.3
4.3
4.3.1
4.3.2
4.3.2.1
4.3.2.2
4.3.2.3
4.3.2.4
5
cryostats 122
3 He cryostats 125
3 He/4 He dilution refrigerators 125
Electronic measurements on nanostructures 127
Sample holders 128
Application and detection of electronic signals 128
General considerations 128
Voltage and current sources 129
Signal detectors 130
Some important measurement setups 133
Important quantities in mesoscopic transport
Fermi wavelength 139
Elastic scattering times and lengths 139
Diffusion constant 140
4 He
139
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
5.6
5.7
5.8
5.9
6
Dephasing time and phase coherence length 143
Electron–electron scattering time 144
Thermal length 144
Localization length 145
Interaction parameter (or gas parameter) 145
Magnetic length and magnetic time 145
Magneto-transport properties of quantum ﬁlms
Landau quantization 148
147
6.1
6.1.1
6.1.2
6.2
6.2.1
6.2.2
6.2.3
6.3
6.4
6.4.1
6.4.2
6.4.3
6.5
7
Two-dimensional electron gases in perpendicular magnetic
ﬁelds 148
The chemical potential in strong magnetic ﬁelds 151
The quantum Hall effect 154
Phenomenology 154
Toward an explanation of the integer quantum Hall effect 156
The quantum Hall effect and three dimensions 161
Elementary analysis of Shubnikov–de Haas oscillations 162
Some examples of magneto-transport experiments 165
Quasi-two-dimensional electron gases 165
Mapping of the probability density 167
Displacement of the quantum Hall plateaux 167
Parallel magnetic ﬁelds 169
Quantum wires and quantum point contacts
Diffusive quantum wires 179
Basic properties 179
Boundary scattering 181
177
7.1
7.1.1
7.1.2

X
Contents
7.2
7.2.1
7.2.2
7.2.3
7.2.4
7.2.5
7.3
7.3.1
7.3.2
7.4
7.4.1
7.4.2
7.4.2.1
7.5
7.5.1
7.5.2
7.6
7.7
8
Ballistic quantum wires 182
Phenomenology 182
Conductance quantization in QPCs 184
Magnetic ﬁeld effects 191
The “0.7 structure” 195
Four-probe measurements on ballistic quantum wires 195
The Landauer–Büttiker formalism 198
Edge states 199
Edge channels 202
Further examples of quantum wires 204
Conductance quantization in conventional metals 204
Molecular wires 206
Carbon nanotubes 206
Quantum point contact circuits 210
Non-Ohmic behavior of QPCs in series 210
QPCs in parallel 212
Semiclassical limit: conductance of ballistic 2D systems 214
Concluding remarks 218
Electronic phase coherence
223
223
8.1
8.2
8.3
8.4
8.5
9
The Aharonov–Bohm effect in mesoscopic conductors
Weak localization 226
Universal conductance ﬂuctuations 229
Phase coherence in ballistic 2DEGs 234
Resonant tunneling and s-matrices 236
Single-electron tunneling
247
9.1
9.2
9.2.1
9.2.2
9.2.3
9.3
10
The principle of Coulomb blockade 247
Basic single-electron tunneling circuits 250
Coulomb blockade at the double barrier 252
Current–voltage characteristics: The Coulomb staircase 255
The SET transistor 259
SET circuits with many islands: The single-electron pump 265
Quantum dots
273
10.1
10.2
10.2.1
10.2.2
10.3
10.3.1
10.3.2
Phenomenology of quantum dots 274
The constant interaction model 279
Quantum dots in intermediate magnetic ﬁelds 283
Quantum rings 285
Beyond the constant interaction model 287
Hund’s rules in quantum dots 287
Quantum dots in strong magnetic ﬁelds 287

Contents
XI
10.3.3
10.4
10.5
10.5.1
10.5.2
10.6
11
The distribution of nearest-neighbor spacings 290
Shape of conductance resonances and I–V characteristics 294
Other types of quantum dots 297
Metal grains 298
Molecular quantum dots 299
Quantum dots and quantum computation 301
Mesoscopic superlattices
309
11.1
11.2
11.2.1
11.2.2
12
One-dimensional superlattices 310
Two-dimensional superlattices 312
Semiclassical effects 312
Quantum effects 318
Spintronics
323
12.1
12.1.1
Ferromagnetic sandwich structures 324
Tunneling magneto-resistance (TMR) and giant magneto-resis

Thomas Heinzel
Mesoscopic Electronics in Solid
State Nanostructures
Second, Completely Revised and Enlarged Edition
WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA
 
This Page Intentionally Left Blank
 
Thomas Heinzel
Mesoscopic Electronics in Solid
State Nanostructures
Second, Completely Revised and Enlarged Edition
WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA
 
1807–2007 Knowledge for Generations
Each generation has its unique needs and aspirations. When Charles Wiley first
opened his small printing shop in lower Manhattan in 1807, it was a generation
of boundless potential searching for an identity. And we were there, helping to
define a new American literary tradition. Over half a century later, in the midst
of the Second Industrial Revolution, it was a generation focused on building
the future. Once again, we were there, supplying the critical scientific, technical,
and engineering knowledge that helped frame the world. Throughout the 20th
Century, and into the new millennium, nations began to reach out beyond their
own borders and a new international community was born. Wiley was there, ex-
panding its operations around the world to enable a global exchange of ideas,
opinions, and know-how.
 For 200 years, Wiley has been an integral part of each generation’s journey,
enabling the flow of information and understanding necessary to meet their
needs and fulfill their aspirations. Today, bold new technologies are changing
the way we live and learn. Wiley will be there, providing you the must-have
knowledge you need to imagine new worlds, new possibilities, and new oppor-
tunities.
 Generations come and go, but you can always count on Wiley to provide you
the knowledge you need, when and where you need it!
William J. Pesce
President and Chief Executive Officer
Peter Booth Wiley
Chairman of the Board
 
Thomas Heinzel
Mesoscopic Electronics in Solid
State Nanostructures
 
IV
The Author
Prof. Dr. Thomas Heinzel
Dept. of Solid State Physics
Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
thomas.heinzel@uni-duesseldorf.de
All books published by Wiley-VCH are carefully
produced. Nevertheless, authors, editors, and
publisher do not warrant the information contained
in these books, including this book, to be free of
errors. Readers are advised to keep in mind that
statements, data, illustrations, procedural details or
other items may inadvertently be inaccurate.
Library of Congress Card No.:
applied for
British Library Cataloguing-in-Publication Data
A catalogue record for this book is available from
the British Library.
Bibliographic information published by
the Deutsche Nationalbibliothek
The Deutsche Nationalbibliothek lists this
publication in the Deutsche Nationalbibliogra e;
detailed bibliographic data are available in the
Internet at .
© 2007 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA,
Weinheim
All rights reserved (including those of translation
into other languages). No part of this book may be
reproduced in any form – photoprinting, micro lm,
or any other means – transmitted or translated into
a machine language without written permission
from the publishers. Registered names,
trademarks, etc. used in this book, even when not
speci cally marked as such, are not to be
considered unprotected by law.
Typesetting Da-TeX Gerd Blumenstein, Leipzig
Printing Strauss GmbH, Mörlenbach
Binding Litges & Dopf GmbH, Heppenheim
Printed in the Federal Republic of Germany
Printed on acid-free paper
ISBN:
978-3-527-40638-8
 
Dedication
To Carola and Alexander
 
This Page Intentionally Left Blank
 
VII
Contents
Preface
1
XIII
1
Introduction
1.1
1.2
1.2.1
1.2.2
1.2.3
1.2.4
1.2.5
1.2.6
1.2.7
1.2.8
2
Preliminary remarks 1
Mesoscopic transport 2
Ballistic transport 3
The quantum Hall effect and Shubnikov–de Haas oscillations 5
Size quantization 7
Phase coherence 8
Single-electron tunneling and quantum dots 9
Superlattices 10
Spintronics 11
Samples, experimental techniques, and technological relevance 11
An update of solid state physics 15
Crystal structures 16
Electronic energy bands 18
Occupation of energy bands 27
The electronic density of states 27
2.1
2.2
2.3
2.3.1
2.3.2
2.3.3
2.3.4
2.4
2.5
2.6
2.6.1
2.6.2
2.6.3
2.6.4
Occupation probability and chemical potential 29
Intrinsic carrier concentration 29
Bloch waves and localized electrons 31
Envelope wave functions 32
Doping 36
Diffusive transport and the Boltzmann equation 40
The Boltzmann equation 41
The conductance predicted by the simpliﬁed Boltzmann
equation 44
The magneto-resistivity tensor 46
Diffusion currents 47
Mesoscopic Electronics in Solid State Nanostructures. Thomas Heinzel
Copyright © 2007 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
ISBN: 978-3-527-40638-8
 
VIII
Contents
2.7
2.8
3
Scattering mechanisms
Screening 50
48
3.1
3.1.1
3.1.2
3.1.3
3.2
3.2.1
3.2.1.1
3.2.1.2
3.2.2
3.3
3.4
3.4.1
3.4.1.1
3.4.2
3.4.3
3.4.3.1
3.4.3.2
3.4.3.3
3.4.4
4
Surfaces, interfaces, and layered devices 57
Electronic surface states 59
Surface states in one dimension 59
Surfaces of three-dimensional crystals 65
Band bending and Fermi level pinning 67
Semiconductor–metal interfaces 68
Band alignment and Schottky barriers 69
The Schottky model 72
The Schottky diode 73
Ohmic contacts 73
Semiconductor heterointerfaces 74
Field effect transistors and quantum wells 77
The silicon metal–oxide–semiconductor ﬁeld effect transistor 77
The MOSFET and digital electronics 81
The Ga[Al]As high electron mobility transistor 84
Other types of layered devices 87
The AlSb–InAs–AlSb quantum well 87
Hole gas in Si–Si1− x Gex –Si quantum wells 89
Organic FETs 89
Quantum conﬁned carriers in comparison to bulk carriers 91
Experimental techniques 97
Sample preparation 97
Single crystal growth 98
4.1
4.1.1
4.1.2
4.1.2.1
4.1.2.2
4.1.3
4.1.3.1
4.1.3.2
4.1.3.3
4.1.4
4.1.5
4.2
4.2.1
4.2.1.1
4.2.1.2
4.2.1.3
4.2.2
Growth of layered structures 100
Metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) 101
Molecular beam epitaxy (MBE) 101
Lateral patterning 107
Deﬁning patterns in resists 107
Direct writing methods 110
Etching 112
Metallization 113
Bonding 115
Elements of cryogenics 116
Properties of liquid helium 117
Some properties of pure 4 He 117
Some properties of pure 3 He 120
The 3 He/4 He mixture 121
Helium cryostats 122
 
Contents
IX
4.2.2.1
4.2.2.2
4.2.2.3
4.3
4.3.1
4.3.2
4.3.2.1
4.3.2.2
4.3.2.3
4.3.2.4
5
 cryostats 122
3 He cryostats 125
3 He/4 He dilution refrigerators 125
Electronic measurements on nanostructures 127
Sample holders 128
Application and detection of electronic signals 128
General considerations 128
Voltage and current sources 129
Signal detectors 130
Some important measurement setups 133
Important quantities in mesoscopic transport
Fermi wavelength 139
Elastic scattering times and lengths 139
Diffusion constant 140
4 He
139
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
5.6
5.7
5.8
5.9
6
Dephasing time and phase coherence length 143
Electron–electron scattering time 144
Thermal length 144
Localization length 145
Interaction parameter (or gas parameter) 145
Magnetic length and magnetic time 145
Magneto-transport properties of quantum ﬁlms
Landau quantization 148
147
6.1
6.1.1
6.1.2
6.2
6.2.1
6.2.2
6.2.3
6.3
6.4
6.4.1
6.4.2
6.4.3
6.5
7
Two-dimensional electron gases in perpendicular magnetic
ﬁelds 148
The chemical potential in strong magnetic ﬁelds 151
The quantum Hall effect 154
Phenomenology 154
Toward an explanation of the integer quantum Hall effect 156
The quantum Hall effect and three dimensions 161
Elementary analysis of Shubnikov–de Haas oscillations 162
Some examples of magneto-transport experiments 165
Quasi-two-dimensional electron gases 165
Mapping of the probability density 167
Displacement of the quantum Hall plateaux 167
Parallel magnetic ﬁelds 169
Quantum wires and quantum point contacts
Diffusive quantum wires 179
Basic properties 179
Boundary scattering 181
177
7.1
7.1.1
7.1.2
 
X
Contents
7.2
7.2.1
7.2.2
7.2.3
7.2.4
7.2.5
7.3
7.3.1
7.3.2
7.4
7.4.1
7.4.2
7.4.2.1
7.5
7.5.1
7.5.2
7.6
7.7
8
Ballistic quantum wires 182
Phenomenology 182
Conductance quantization in QPCs 184
Magnetic ﬁeld effects 191
The “0.7 structure” 195
Four-probe measurements on ballistic quantum wires 195
The Landauer–Büttiker formalism 198
Edge states 199
Edge channels 202
Further examples of quantum wires 204
Conductance quantization in conventional metals 204
Molecular wires 206
Carbon nanotubes 206
Quantum point contact circuits 210
Non-Ohmic behavior of QPCs in series 210
QPCs in parallel 212
Semiclassical limit: conductance of ballistic 2D systems 214
Concluding remarks 218
Electronic phase coherence
223
223
8.1
8.2
8.3
8.4
8.5
9
The Aharonov–Bohm effect in mesoscopic conductors
Weak localization 226
Universal conductance ﬂuctuations 229
Phase coherence in ballistic 2DEGs 234
Resonant tunneling and s-matrices 236
Single-electron tunneling
247
9.1
9.2
9.2.1
9.2.2
9.2.3
9.3
10
The principle of Coulomb blockade 247
Basic single-electron tunneling circuits 250
Coulomb blockade at the double barrier 252
Current–voltage characteristics: The Coulomb staircase 255
The SET transistor 259
SET circuits with many islands: The single-electron pump 265
Quantum dots
273
10.1
10.2
10.2.1
10.2.2
10.3
10.3.1
10.3.2
Phenomenology of quantum dots 274
The constant interaction model 279
Quantum dots in intermediate magnetic ﬁelds 283
Quantum rings 285
Beyond the constant interaction model 287
Hund’s rules in quantum dots 287
Quantum dots in strong magnetic ﬁelds 287
 
Contents
XI
10.3.3
10.4
10.5
10.5.1
10.5.2
10.6
11
The distribution of nearest-neighbor spacings 290
Shape of conductance resonances and I–V characteristics 294
Other types of quantum dots 297
Metal grains 298
Molecular quantum dots 299
Quantum dots and quantum computation 301
Mesoscopic superlattices
309
11.1
11.2
11.2.1
11.2.2
12
One-dimensional superlattices 310
Two-dimensional superlattices 312
Semiclassical effects 312
Quantum effects 318
Spintronics
323
12.1
12.1.1
 Ferromagnetic sandwich structures 324
 Tunneling magneto-resistance (TMR) and giant magneto-resis

0/5000

Từ: -

Sang: -

Kết quả (Việt) 1: [Sao chép]

Sao chép!

Thomas HeinzelMesoscopic Electronics in SolidState NanostructuresSecond, Completely Revised and Enlarged EditionWILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA This Page Intentionally Left Blank Thomas HeinzelMesoscopic Electronics in SolidState NanostructuresSecond, Completely Revised and Enlarged EditionWILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA 1807–2007 Knowledge for GenerationsEach generation has its unique needs and aspirations. When Charles Wiley firstopened his small printing shop in lower Manhattan in 1807, it was a generationof boundless potential searching for an identity. And we were there, helping todefine a new American literary tradition. Over half a century later, in the midstof the Second Industrial Revolution, it was a generation focused on buildingthe future. Once again, we were there, supplying the critical scientific, technical,and engineering knowledge that helped frame the world. Throughout the 20thCentury, and into the new millennium, nations began to reach out beyond theirown borders and a new international community was born. Wiley was there, ex-panding its operations around the world to enable a global exchange of ideas,opinions, and know-how. For 200 years, Wiley has been an integral part of each generation’s journey,enabling the flow of information and understanding necessary to meet theirneeds and fulfill their aspirations. Today, bold new technologies are changingthe way we live and learn. Wiley will be there, providing you the must-haveknowledge you need to imagine new worlds, new possibilities, and new oppor-tunities. Generations come and go, but you can always count on Wiley to provide youthe knowledge you need, when and where you need it!William J. PescePresident and Chief Executive OfficerPeter Booth WileyChairman of the Board Thomas HeinzelMesoscopic Electronics in SolidState Nanostructures IVThe AuthorProf. Dr. Thomas HeinzelDept. of Solid State PhysicsHeinrich-Heine-Universität Düsseldorfthomas.heinzel@uni-duesseldorf.deAll books published by Wiley-VCH are carefullyproduced. Nevertheless, authors, editors, andpublisher do not warrant the information containedin these books, including this book, to be free oferrors. Readers are advised to keep in mind thatstatements, data, illustrations, procedural details orother items may inadvertently be inaccurate.Library of Congress Card No.:applied forBritish Library Cataloguing-in-Publication DataA catalogue record for this book is available fromthe British Library.Bibliographic information published bythe Deutsche NationalbibliothekThe Deutsche Nationalbibliothek lists thispublication in the Deutsche Nationalbibliogra e;detailed bibliographic data are available in theInternet at .© 2007 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA,WeinheimAll rights reserved (including those of translationinto other languages). No part of this book may bereproduced in any form – photoprinting, micro lm,or any other means – transmitted or translated intoa machine language without written permissionfrom the publishers. Registered names,trademarks, etc. used in this book, even when notspeci cally marked as such, are not to beconsidered unprotected by law.Typesetting Da-TeX Gerd Blumenstein, LeipzigPrinting Strauss GmbH, MörlenbachBinding Litges & Dopf GmbH, HeppenheimPrinted in the Federal Republic of GermanyPrinted on acid-free paperISBN:978-3-527-40638-8 DedicationTo Carola and Alexander This Page Intentionally Left Blank VIIContentsPreface1XIII1Introduction1.11.21.2.11.2.21.2.31.2.41.2.51.2.61.2.71.2.82Preliminary remarks 1Mesoscopic transport 2Ballistic transport 3The quantum Hall effect and Shubnikov–de Haas oscillations 5Size quantization 7Phase coherence 8Single-electron tunneling and quantum dots 9Superlattices 10Spintronics 11Samples, experimental techniques, and technological relevance 11An update of solid state physics 15Crystal structures 16Electronic energy bands 18Occupation of energy bands 27The electronic density of states 272.12.22.32.3.12.3.22.3.32.3.42.42.52.62.6.12.6.22.6.32.6.4Occupation probability and chemical potential 29Intrinsic carrier concentration 29Bloch waves and localized electrons 31Envelope wave functions 32Doping 36Diffusive transport and the Boltzmann equation 40The Boltzmann equation 41The conductance predicted by the simpliﬁed Boltzmannequation 44The magneto-resistivity tensor 46Diffusion currents 47Mesoscopic Electronics in Solid State Nanostructures. Thomas HeinzelCopyright © 2007 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, WeinheimISBN: 978-3-527-40638-8 VIIIContents2.72.83Scattering mechanismsScreening 50483.13.1.13.1.23.1.33.23.2.13.2.1.13.2.1.23.2.23.33.43.4.13.4.1.13.4.23.4.33.4.3.13.4.3.23.4.3.33.4.44Surfaces, interfaces, and layered devices 57Electronic surface states 59Surface states in one dimension 59Surfaces of three-dimensional crystals 65Band bending and Fermi level pinning 67Semiconductor–metal interfaces 68Band alignment and Schottky barriers 69The Schottky model 72The Schottky diode 73Ohmic contacts 73Semiconductor heterointerfaces 74Field effect transistors and quantum wells 77The silicon metal–oxide–semiconductor ﬁeld effect transistor 77The MOSFET and digital electronics 81The Ga[Al]As high electron mobility transistor 84Other types of layered devices 87The AlSb–InAs–AlSb quantum well 87Hole gas in Si–Si1− x Gex –Si quantum wells 89Organic FETs 89Quantum conﬁned carriers in comparison to bulk carriers 91Experimental techniques 97Sample preparation 97Single crystal growth 984.14.1.14.1.24.1.2.14.1.2.24.1.34.1.3.14.1.3.24.1.3.34.1.44.1.54.24.2.14.2.1.14.2.1.24.2.1.34.2.2Growth of layered structures 100Metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) 101Molecular beam epitaxy (MBE) 101Lateral patterning 107Deﬁning patterns in resists 107Direct writing methods 110Etching 112Metallization 113Bonding 115Elements of cryogenics 116Properties of liquid helium 117Some properties of pure 4 He 117Some properties of pure 3 He 120The 3 He/4 He mixture 121Helium cryostats 122 ContentsIX4.2.2.14.2.2.24.2.2.34.34.3.14.3.24.3.2.14.3.2.24.3.2.34.3.2.45 cryostats 1223 He cryostats 1253 He/4 He dilution refrigerators 125Electronic measurements on nanostructures 127Sample holders 128Application and detection of electronic signals 128General considerations 128Voltage and current sources 129Signal detectors 130Some important measurement setups 133Important quantities in mesoscopic transportFermi wavelength 139Elastic scattering times and lengths 139Diffusion constant 1404 He1395.15.25.35.45.55.65.75.85.96Dephasing time and phase coherence length 143Electron–electron scattering time 144Thermal length 144Localization length 145Interaction parameter (or gas parameter) 145Magnetic length and magnetic time 145Magneto-transport properties of quantum ﬁlmsLandau quantization 1481476.16.1.16.1.26.26.2.16.2.26.2.36.36.46.4.16.4.26.4.36.57Two-dimensional electron gases in perpendicular magneticﬁelds 148The chemical potential in strong magnetic ﬁelds 151The quantum Hall effect 154Phenomenology 154
Toward an explanation of the integer quantum Hall effect 156
The quantum Hall effect and three dimensions 161
Elementary analysis of Shubnikov–de Haas oscillations 162
Some examples of magneto-transport experiments 165
Quasi-two-dimensional electron gases 165
Mapping of the probability density 167
Displacement of the quantum Hall plateaux 167
Parallel magnetic ﬁelds 169
Quantum wires and quantum point contacts
Diffusive quantum wires 179
Basic properties 179
Boundary scattering 181
177
7.1
7.1.1
7.1.2

X
Contents
7.2
7.2.1
7.2.2
7.2.3
7.2.4
7.2.5
7.3
7.3.1
7.3.2
7.4
7.4.1
7.4.2
7.4.2.1
7.5
7.5.1
7.5.2
7.6
7.7
8
Ballistic quantum wires 182
Phenomenology 182
Conductance quantization in QPCs 184
Magnetic ﬁeld effects 191
The “0.7 structure” 195
Four-probe measurements on ballistic quantum wires 195
The Landauer–Büttiker formalism 198
Edge states 199
Edge channels 202
Further examples of quantum wires 204
Conductance quantization in conventional metals 204
Molecular wires 206
Carbon nanotubes 206
Quantum point contact circuits 210
Non-Ohmic behavior of QPCs in series 210
QPCs in parallel 212
Semiclassical limit: conductance of ballistic 2D systems 214
Concluding remarks 218
Electronic phase coherence
223
223
8.1
8.2
8.3
8.4
8.5
9
The Aharonov–Bohm effect in mesoscopic conductors
Weak localization 226
Universal conductance ﬂuctuations 229
Phase coherence in ballistic 2DEGs 234
Resonant tunneling and s-matrices 236
Single-electron tunneling
247
9.1
9.2
9.2.1
9.2.2
9.2.3
9.3
10
The principle of Coulomb blockade 247
Basic single-electron tunneling circuits 250
Coulomb blockade at the double barrier 252
Current–voltage characteristics: The Coulomb staircase 255
The SET transistor 259
SET circuits with many islands: The single-electron pump 265
Quantum dots
273
10.1
10.2
10.2.1
10.2.2
10.3
10.3.1
10.3.2
Phenomenology of quantum dots 274
The constant interaction model 279
Quantum dots in intermediate magnetic ﬁelds 283
Quantum rings 285
Beyond the constant interaction model 287
Hund’s rules in quantum dots 287
Quantum dots in strong magnetic ﬁelds 287

Contents
XI
10.3.3
10.4
10.5
10.5.1
10.5.2
10.6
11
The distribution of nearest-neighbor spacings 290
Shape of conductance resonances and I–V characteristics 294
Other types of quantum dots 297
Metal grains 298
Molecular quantum dots 299
Quantum dots and quantum computation 301
Mesoscopic superlattices
309
11.1
11.2
11.2.1
11.2.2
12
One-dimensional superlattices 310
Two-dimensional superlattices 312
Semiclassical effects 312
Quantum effects 318
Spintronics
323
12.1
12.1.1
Ferromagnetic sandwich structures 324
Tunneling magneto-resistance (TMR) and giant magneto-resis

đang được dịch, vui lòng đợi..

Kết quả (Việt) 2:[Sao chép]

Sao chép!

Thomas Heinzel
Mesoscopic Electronics trong Solid
State cấu trúc nano
Thứ hai, hoàn toàn đã sửa lại và phóng to, bản
Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA trang này Cố ý để trống Thomas Heinzel Mesoscopic Electronics trong Solid State cấu trúc nano Thứ hai, hoàn toàn đã sửa lại và phóng to, bản Wiley-VCH Verlag GmbH & Công ty KGaA 1807-2007 kiến thức cho thế hệ Mỗi thế hệ đều có nhu cầu và nguyện vọng của mình. Khi Charles Wiley đầu tiên mở cửa hàng in ấn của mình ở Manhattan vào năm 1807, nó là một thế hệ vô biên của tìm kiếm tiềm năng cho một bản sắc. Và chúng tôi đã có, giúp xác định một truyền thống văn học mới của Mỹ. Hơn nửa thế kỷ sau đó, ở giữa của cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ hai, đó là một thế hệ tập trung xây dựng tương lai. Một lần nữa, chúng tôi đã có, cung cấp các khoa học, kỹ thuật, quan trọng và kiến thức kỹ thuật đã giúp định hình thế giới. Trong suốt 20 thế kỷ, và vào thiên niên kỷ mới, các quốc gia đã bắt đầu vươn ra ngoài của họ biên giới riêng và cộng đồng quốc tế mới được sinh ra. Wiley đã có, Thí panding hoạt động của nó trên toàn thế giới để cho phép trao đổi toàn cầu của những ý tưởng, ý kiến, và biết-như thế nào. Trong 200 năm qua, Wiley đã là một phần không thể thiếu trong hành trình của mỗi thế hệ, tạo điều kiện cho các luồng thông tin và sự hiểu biết cần thiết để đáp ứng của nhu cầu và đáp ứng nguyện vọng của mình. Ngày nay, công nghệ mới đậm đang thay đổi cách chúng ta sống và học tập. Wiley sẽ ở đó, cung cấp cho bạn những cần phải có kiến thức bạn cần phải tưởng tượng một thế giới mới, khả năng mới và hội mới lại cơ. Generations đến và đi, nhưng bạn luôn có thể đếm trên Wiley để cung cấp cho bạn những kiến thức bạn cần, khi nào và nơi bạn cần nó! William J. Pesce Chủ tịch và Giám đốc điều hành Peter Booth Wiley Chủ tịch Hội đồng quản trị Thomas Heinzel Mesoscopic Electronics trong Solid State cấu trúc nano IV Tác giả Giáo sư Tiến sĩ Thomas Heinzel Dept. của Solid State Physics Heinrich Heine--Universität Düsseldorf thomas.heinzel@uni-duesseldorf.de Tất cả sách được xuất bản bởi Wiley-VCH đang cẩn thận sản xuất. Tuy nhiên, tác giả, biên tập viên, và các nhà xuất bản không đảm bảo các thông tin chứa trong những cuốn sách này, bao gồm cả cuốn sách này, để được tự do của lỗi. Độc giả nên lưu giữ trong tâm trí rằng báo cáo, dữ liệu, hình ảnh minh họa, thông tin chi tiết về thủ tục hoặc các mặt hàng khác có thể vô tình là không chính xác. Thư viện Quốc hội Thẻ No .: áp dụng cho British Library Biên mục-trong-Xuất bản dữ liệu Một biểu ghi thư mục cho cuốn sách này có từ . Anh Thư viện thông tin thư mục được xuất bản bởi Deutsche Nationalbibliothek The Deutsche Nationalbibliothek danh sách này được công bố trên Deutsche Nationalbibliogra e; dữ liệu thư mục chi tiết có sẵn trong Internet tại

.
© 2007 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA,
Weinheim
Tất cả các quyền (bao gồm cả bản dịch
sang các ngôn ngữ khác). Không có một phần của cuốn sách này có thể được
sao chép dưới mọi hình thức - Photoprinting, vi lm,
hoặc bất kỳ phương tiện khác - truyền hoặc được dịch sang
một ngôn ngữ máy mà không có sự cho phép bằng văn bản
từ các nhà xuất bản. Tên đăng ký,
nhãn hiệu hàng hóa, vv được sử dụng trong cuốn sách này, ngay cả khi không
SPECI Cally được đánh dấu như vậy, thì không được
coi là không được bảo vệ bởi pháp luật.
Sắp chữ Da-TeX Gerd Blumenstein, Leipzig
In ấn Strauss GmbH, Mörlenbach
Binding Litges & Dopf GmbH, Heppenheim
in tại Cộng hòa Liên bang Đức
in trên acid miễn giấy
ISBN:
978-3-527-40638-8 Dedication To Carola và Alexander trang này Cố ý để trống VII Nội dung Lời nói đầu 1 XIII 1 Giới thiệu 1.1 1.2 1.2.1 1.2.2 1.2 .3 1.2.4 1.2.5 1.2.6 1.2.7 1.2.8 2 nhận xét sơ bộ 1 vận chuyển Mesoscopic 2 Ballistic vận chuyển 3 Hiệu ứng lượng tử Hall và Shubnikov-de Haas dao động 5 Kích thước lượng tử 7 giai đoạn gắn kết 8 đường hầm Single-electron và lượng tử chấm 9 siêu mạng 10 spintronics 11 mẫu, kỹ thuật thực nghiệm, và sự phù hợp công nghệ 11 Cập nhật các trạng thái rắn vật lý 15 cấu trúc tinh thể 16 dải năng lượng điện 18 Nghề nghiệp của các dải năng lượng 27 Mật độ điện tử của các quốc gia 27 2.1 2.2 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3 .3 2.3.4 2.4 2.5 2.6 2.6.1 2.6.2 2.6.3 2.6.4 Nghề nghiệp xác suất và chất hóa học tiềm năng 29 tập trung tàu sân Intrinsic 29 sóng Bloch và electron địa hoá 31 Envelope sóng chức năng 32 Doping 36 vận chuyển phân tán và các phương trình Boltzmann 40 Các Boltzmann phương trình 41 Độ dẫn dự đoán của các fi ed Simpli Boltzmann phương trình 44 Các magneto-điện trở suất tensor 46 dòng Diffusion 47 Mesoscopic điện tử trong Solid State cấu trúc nano. Thomas Heinzel Copyright © 2007 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim ISBN: 978-3-527-40638-8 VIII Nội dung 2,7 2,8 3 Scattering cơ chế sàng lọc giao diện, và các thiết bị lớp 57 bề mặt điện tử nói 59 tiểu bang Surface trong một chiều 59 Bề mặt của các tinh thể ba chiều 65 băng uốn và Fermi mức ghim 67 giao diện Semiconductor-kim loại 68 băng liên kết và các hàng rào Schottky 69 Các mô hình 72 Schottky diode Schottky 73 ohmic liên lạc 73 Semiconductor heterointerfaces 74 có hiệu lực Dòng bóng bán dẫn và các giếng lượng tử 77 Các silicon kim loại-oxide-bán dẫn fi lĩnh transistor hiệu ứng 77 Các MOSFET và thiết bị điện tử kỹ thuật số 81 The Ga [Al] di chuyển electron Như cao transistor 84 loại khác của các thiết bị lớp 87 Các AlSb-Inas -AlSb lượng tử cũng 87 lỗ khí ở Si-Si1- x giếng lượng tử Gex -Si 89 FETs hữu 89 Quantum con fi ned hãng so với các tàu chở hàng rời 91 kỹ thuật thực nghiệm 97 Chuẩn bị mẫu 97 tinh thể tăng trưởng đơn các lớp cấu trúc 100 kim loại hơi hóa chất hữu cơ lắng đọng (MOCVD) 101 phân tử epitaxy chùm (MBE) 101 khuôn mẫu Lateral 107 De fi mẫu ning trong chống 107 phương pháp viết văn Direct 110 Etching 112 kim thuộc 113 Bonding 115 Các yếu tố của chất làm lạnh 116 Tài sản của helium lỏng 117 Một số tính chất của tinh khiết 4 He 117 Một số tính chất của tinh khiết 3 Ngài 120 3 Ông / 4 Ông hỗn hợp 121 Helium cryostats 122 Nội dung IX 4.2.2.1 4.2.2.2 4.2.2.3 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.2.1 4.3.2.2 4.3.2.3 4.3 .2.4 5 cryostats 122 3 Ông cryostats 125 3 Ông / 4 Ông tủ lạnh pha loãng 125 phép đo điện tử trên các cấu trúc nano 127 người có mẫu 128 ứng dụng và phát hiện các tín hiệu điện tử 128 cân nhắc chung 128 Điện áp và dòng điện nguồn 129 máy dò tín hiệu 130 Một số thiết lập đo quan trọng 133 với số lượng quan trọng vận tải mesoscopic Fermi bước sóng 139 lần tán xạ đàn hồi và độ dài 139 Diffusion liên tục 140 4 He 139 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 6 mất pha thời gian và độ dài kết hợp giai đoạn 143 Electron-electron thời gian tán xạ 144 Nhiệt độ dài 144 chiều dài địa hóa 145 tham số tương tác ( hoặc tham số khí) 145 Chiều dài từ và từ thời gian 145 tính Magneto-vận chuyển LMS fi lượng tử Landau lượng tử 148 147 6.1 6.1.1 6.1.2 6.2 6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.3 6.4 6.4.1 6.4.2 6.4.3 6,5 7 khí electron Hai chiều vuông góc với từ trường fi ruộng 148 Tiềm năng hóa học trong ruộng từ trường mạnh 151 Hiệu ứng Hall lượng tử 154 Hiện tượng 154 Hướng tới một lời giải thích của các số nguyên Hall lượng tử có hiệu lực 156 Hiệu ứng lượng tử Hall và ba chiều 161 phân tích tiểu của Shubnikov- de Haas dao động 162 Một số ví dụ về các thí nghiệm magneto-vận chuyển 165 khí electron Quasi-hai chiều 165 Mapping của mật độ xác suất 167 Displacement của Hall lượng tử Plateaux 167 Parallel ruộng từ 169 dây lượng tử và liên lạc điểm lượng tử dây lượng tử khuếch tán 179 thuộc tính cơ bản 179 tán xạ ranh giới dây lượng tử 182 Hiện tượng 182 Độ dẫn lượng tử trong QPCs 184 Magnetic fi hưởng tuổi già 191 Các "0.7 cấu trúc" 195 đo Four-thăm dò trên dây lượng tử đạn đạo 195 Các Landauer-Büttiker thức 198 Cạnh khẳng 199 kênh Cạnh 202 ví dụ khác về dây lượng tử 204 Độ dẫn lượng tử trong kim loại thường 204 dây phân tử 206 Carbon ống nano 206 Quantum mạch điểm tiếp xúc 210 hành vi Non-R của QPCs trong series 210 QPCs song song 212 giới hạn bán cổ điển: dẫn của hệ thống 2D đạn đạo 214 Kết luận 218 giai đoạn điện tử gắn kết 223 223 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 9 Các hiệu ứng Aharonov-Bohm trong dây dẫn mesoscopic nội địa yếu 226 Phổ dẫn fl uctuations 229 giai đoạn gắn kết trong 2DEGs đạn đạo 234 đường hầm Resonant và s-ma trận 236 Single-electron chui hầm 247 9.1 9.2 9.2.1 9.2.2 9.2.3 9.3 10 Nguyên tắc của Coulomb phong tỏa 247 mạch đường hầm đơn điện tử cơ bản 250 Coulomb phong tỏa tại các rào cản đôi 252 đặc điểm hiện tại-voltage Coulomb cầu thang 255 SET 259 transistor mạch SET với nhiều đảo: Single-electron bơm 265 Quantum chấm 273 10.1 10.2 10.2.1 10.2 0,2 10,3 10.3.1 10.3.2 Hiện tượng các chấm lượng tử 274 Các mô hình tương tác thường xuyên 279 chấm lượng tử ở trung ruộng từ 283 Quantum nhẫn 285 Ngoài mô hình tương tác thường xuyên 287 quy tắc Hund trong các chấm lượng tử 287 Các chấm lượng tử trong mạnh ruộng từ 287 Nội dung XI 10.3.3 10.4 10.5 10.5.1 10.5.2 10,6 11 Sự phân bố của spacings gần nhất xóm 290 Shape cộng hưởng dẫn và đặc 294 I-V loại khác của các chấm lượng tử 297 Kim loại hạt 298 chấm lượng tử phân tử 299 Các chấm lượng tử và tính toán lượng tử 301 siêu mạng Mesoscopic 309 11.1 11.2 11.2.1 11.2.2 12 siêu mạng Một chiều 310 siêu mạng hai chiều 312 tác bán cổ điển 312 hiệu ứng lượng tử 318 spintronics 323 12.1 12.1.1 cấu trúc bánh sandwich sắt từ 324 Tunneling magneto-kháng (TMR) và khổng lồ magneto-resis

đang được dịch, vui lòng đợi..

Kết quả (Việt) 3:[Sao chép]

Sao chép!

đang được dịch, vui lòng đợi..

Các ngôn ngữ khác

Hỗ trợ công cụ dịch thuật: Albania, Amharic, Anh, Armenia, Azerbaijan, Ba Lan, Ba Tư, Bantu, Basque, Belarus, Bengal, Bosnia, Bulgaria, Bồ Đào Nha, Catalan, Cebuano, Chichewa, Corsi, Creole (Haiti), Croatia, Do Thái, Estonia, Filipino, Frisia, Gael Scotland, Galicia, George, Gujarat, Hausa, Hawaii, Hindi, Hmong, Hungary, Hy Lạp, Hà Lan, Hà Lan (Nam Phi), Hàn, Iceland, Igbo, Ireland, Java, Kannada, Kazakh, Khmer, Kinyarwanda, Klingon, Kurd, Kyrgyz, Latinh, Latvia, Litva, Luxembourg, Lào, Macedonia, Malagasy, Malayalam, Malta, Maori, Marathi, Myanmar, Mã Lai, Mông Cổ, Na Uy, Nepal, Nga, Nhật, Odia (Oriya), Pashto, Pháp, Phát hiện ngôn ngữ, Phần Lan, Punjab, Quốc tế ngữ, Rumani, Samoa, Serbia, Sesotho, Shona, Sindhi, Sinhala, Slovak, Slovenia, Somali, Sunda, Swahili, Séc, Tajik, Tamil, Tatar, Telugu, Thái, Thổ Nhĩ Kỳ, Thụy Điển, Tiếng Indonesia, Tiếng Ý, Trung, Trung (Phồn thể), Turkmen, Tây Ban Nha, Ukraina, Urdu, Uyghur, Uzbek, Việt, Xứ Wales, Yiddish, Yoruba, Zulu, Đan Mạch, Đức, Ả Rập, dịch ngôn ngữ.