Квантовая ёмкость

Pause

Квантовая ёмкость — дополнительная электрическая ёмкость между затвором и двумерным электронным газом (ДЭГ), возникающая благодаря низкой по сравнению с металлами плотностью состояний в ДЭГ. Этот термин был впервые введен Сержем Лурьи (Serge Luryi) в 1987 году[1][2] для характеристики изменения химического потенциала в инверсионных слоях кремния и ДЭГ в GaAs.

ДЭГ и затвор представляют собой обычный конденсатор с включённой последовательно квантовой ёмкостью.

Теория

Если одна из обкладок конденсатора представляет собой металл с высокой плотностью состояний, а другая, расположенный на расстоянии d, — ДЭГ с много меньшей плотностью состояний, то изменение напряжения δV на этом конденсаторе приводит к изменению электрического поля между обкладками δE, а также к сдвигу химического потенциала δμ, что можно записать в виде:

Это выражение можно переписать с учётом вариации заряда δρ=eδn и, воспользовавшись теоремой Гаусса δE=δρ/ε, где ε=εdε0 произведение диэлектрической постоянной материала диэлектрика и диэлектрической постоянной вакуума, через ёмкость, нормированную на площадь обкладок C/A=δρ/δV в упрощённом виде

Первое слагаемое — это обратная ёмкость плоского конденсатора, а второе слагаемое связано с понятием квантовой ёмкости, которая пропорциональна плотности состояний

,

где e — элементарный заряд. Если переписать ёмкость в терминах длины экранирования

,

то выражение примет ещё более прозрачный вид

поясняющий влияние конечной длины проникновения электрического поля в материал с меньшей плотностью состояний, чем у металла. Фактически расстояние между обкладками увеличивается на длину экранирования.[3]

Для ДЭГ плотность состояний равна (учтено только спиновое вырождение)[2]

,

где  — эффективная масса носителей тока. Так как плотность состояний ДЭГ не зависит от концентрации, то квантовая ёмкость тоже не зависит от концентрации, хотя при учёте электрон-электронных взаимодействий квантовая ёмкость зависит от энергии[4][5].

Связь со сжимаемостью электронного газа

Для электронного газа, как и для обычного идеального газа можно ввести понятие сжимаемости K, обратная величина которой определяется как взятое с отрицательным знаком произведение объёма газа V и изменения давления P электронного газа при изменении объёма с сохранением числа частиц N:

Другое важное соотношение получается из теоремы Зейтца[6]:

Отсюда следует, что измеряя квантовую ёмкость мы также получаем информацию о сжимаемости электронного газа.

Термодинамическая плотность состояний

Для того чтобы учесть распределение электронов по энергии (распределение Ферми — Дирака ) из-за конечной температуры T, вводят так называемую термодинамическую плотность состояний, определяемую как[7][8]

где  — плотность состояний при нулевой температуре;  — постоянная Больцмана.

Графен

Для графена, где плотность состояний пропорциональна энергии, квантовая ёмкость зависит от концентрации[9]:

где  — редуцированная постоянная Планка;  — фермиевская скорость.

Применительно к одномерному случаю графеновых нанотрубок квантовая ёмкость на единицу длины определяется выражением[2]

,

где  — постоянная Планка.

Примечания

  1. ↑ Serge Luryi (1988). «Quantum capacitance devices». Appl.Phys.Lett. 52(6). Pdf Архивная копия от 8 февраля 2022 на Wayback Machine
  2. ↑ 1 2 3 Слюсар, В.И. Наноантенны: подходы и перспективы. - C. 58 - 65. Электроника: наука, технология, бизнес. – 2009. - № 2. C. 61 (2009). Дата обращения: 3 июня 2021. Архивировано 3 июня 2021 года.
  3. ↑ G. F. Giuliani and G. Vignale Quantum theory of the electron liquid Cambridge university press, 2005.
  4. ↑ J. P. Eisenstein, L. N. Pfeiffer, and K. W. West Negative compressibility of interacting two-dimensional electron and quasiparticle gases Phys. Rev. Lett. 68, 674—677 (1992)
  5. ↑ B. Tanatar and D. M. Ceperley Ground state of the two-dimensional electron gas Phys. Rev. B 39, 5005-5016 (1989)
  6. ↑ G. D. Mahan Many-particle Physics 3rd edition Kluwer Academic/Plenum Publishers 2000
  7. ↑ M. I. Katsnelson Graphene: carbon in two dimensions Cambridge University Press 2012.
  8. ↑ D. L. John, L. C. Castro, and D. L. Pulfrey Quantum capacitance in nanoscale device modeling J. Appl. Phys. 96, 5180 (2004).
  9. ↑ L. A. Ponomarenko et al. Density of States and Zero Landau Level Probed through Capacitance of Graphene Phys. Rev. Lett. 105, 136801 (2010).

Категории

Pause