[論文レビュー] Analytical study of non-linear transport across a semiconductor-metal junction. Resonances, surface states, and non-linear transport

N. M. R. Peres|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2009

Quantum and electron transport phenomena参考文献 27被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、非平衡グリーン関数法を用いて半導体-金属接合を貫通する非線形電子輸送の解析的検討が行われる。表面グリーン関数は、小さな虚数エネルギーシフトを要しない二次行列方程式を解くことで正確に導出され、界面に局在する電子状態に起因する、強いバイアス依存性を示す共鳴および表面状態が、非線形電流-電圧特性を引き起こすことが明らかになった。

ABSTRACT

In this paper we study analytically a one-dimensional model for a semiconductor-metal junction. We study the formation of Tamm states and how they evolve when the semi-infinite semiconductor and metal are coupled together. The non-linear current, as a function of the bias voltage, is studied using the non-equilibrium Green's function method and the density matrix of the interface is given. The electronic occupation of the sites defining the interface has strong non-linearities as a function of the bias voltage due to strong resonances present in the Green's functions of the junction sites. The surface Green's function is computed analytically by solving a quadratic matrix equation, which does not require adding a small imaginary constant to the energy. The wave function for the surface states is given.

研究の動機と目的

• 半導体-金属接合を貫通する非線形電子輸送を解析的にモデル化すること。
• 無限に広がる半導体と金属の界面におけるタム状態（表面状態）の形成および進化を調査すること。
• バイアス下で界面における電子占有状態と電流応答を高精度に計算すること。
• グリーン関数計算において人工的な虚数エネルギーシフトを必要としないこと。
• 界面グリーン関数内の共鳴が非線形輸送をどのように駆動するかを特定すること。

提案手法

• ダイソン方程式から導かれる二次行列方程式を解くことで、表面グリーン関数を解析的に計算する。
• 非平衡グリーン関数法を用いて、バイアス下での電流-電圧特性を計算する。
• 界面の密度行列を導出し、接合サイトの電子占有状態を特定する。
• 表面状態の波動関数をグリーン関数の解析的解から明示的に得る。
• 従来の方法で用いられるエネルギー正則化のための小さな虚数定数（iε）の使用を回避する。
• モデルは一次元であり、無限に広がる半導体と金属の界面領域に焦点を当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 半導体が金属と結合したとき、タム状態はどのように形成され、どのように進化するか？
• RQ2 接合における非線形電流-電圧応答の起源は何か？
• RQ3 界面グリーン関数内の共鳴が、電子占有状態および輸送にどのように影響するか？
• RQ4 人工的な虚数エネルギーシフトを導入せずに、表面グリーン関数を解析的に計算できるか？
• RQ5 界面における表面状態の波動関数の空間的およびエネルギー的構造は何か？

主な発見

• 小さな虚数エネルギーシフトを要しない二次行列方程式の正確な解法により、表面グリーン関数が得られた。
• 界面グリーン関数内に強い共鳴が存在し、接合サイトの電子占有状態に顕著な非線形性を引き起こす。
• 非線形電流応答は、これらの共鳴状態およびそのバイアス依存性の占有状態に起因して直接的に生じる。
• 表面状態の波動関数は解析的に導出され、界面に局在している。
• 界面サイトの電子占有状態は、印加バイアス電圧に対して強い非線形依存性を示す。
• 解析的枠組みにより、数値的正則化を必要とせずに輸送特性を高精度で計算可能である。