[論文レビュー] Direct current generation due to wave mixing in zigzag carbon nanotubes

S. S. Abukari, S. Y. Mensah+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 11, 2010

Carbon Nanotubes in Composites被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、周波数 ω および 2ω の2つの整合な電磁波の非線形整流作用により、ねじれカーボンナノチューブにおける直接電流（DC）生成のメカニズムを提案する。整流作用は、非調和な電子エネルギー準位の波動混合に起因し、ωτ ≈ 2π のとき、比較的弱い電場（Emax ≈ 1.03×10⁶ V/m）で負微分コンダクタンスが発現する。これは、高いスターリング分裂による強い非線形応答を示している。

ABSTRACT

Generation of direct current in zigzag carbon nanotubes due to harmonic mixing of two coherent electromagnetic waves is being considered. The electromagnetic waves have commensurate frequencies of omega and two omega. The rectification of the waves at high frequencies is quite smooth whiles at low frequencies there are some fluctuations. The nonohmicity observed in the I-Vcharacteristics is attributed to the nonparabolicity of the electron energy band which is very strong in carbon nanotubes because of high stark component. It is observed that the current falls off faster at lower electric field than the case in superlattice. For omega tau equal to two? the external electric field strength Emax for the observation of negative differential conductivity occurs around 1.03x10e6 V/m which is quite weak. It is interesting to note that the peak of the curve shifts to the left with increasing value of omega tau?

研究の動機と目的

• 整合な波動混合の下でねじれカーボンナノチューブにおける非線形電流生成を調査すること。
• 高周波数における整流を引き起こす非調和的電子エネルギー準位の役割を分析すること。
• 系において負微分コンダクタンスが現れる条件を特定すること。
• 観測可能な DC 電流および負微分コンダクタンスの閾値電場強度を定量すること。

提案手法

• 周波数 ω および 2ω の2つの整合な電磁波の影響を受けるねじれカーボンナノチューブ内の電子ダイナミクスをモデル化すること。
• カーボンナノチューブにおける強いスターリング分裂効果を考慮する非調和的バンド構造モデルを用いること。
• 時間に依存する摂動法を適用して、非線形応答から整流された DC 電流を計算すること。
• I-V 特性を評価し、負微分コンダクタンス領域を同定すること。
• 次元なしパラメータ ωτ を変化させ、その電流応答およびピークシフトへの影響を調査すること。
• 電場強度の範囲にわたる電流応答をシミュレートし、負微分コンダクタンスのための Emax を特定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 周波数 ω および 2ω の整合な電磁波の波動混合は、どうしてねじれカーボンナノチューブで DC 電流を生成するのか？
• RQ2 電子エネルギー準位の非調和性は、整流および負微分コンダクタンスを可能にする役割を果たすのか？
• RQ3 負微分コンダクタンスが観測可能になる電場強度はどの程度か？
• RQ4 パラメータ ωτ は、電流-電圧特性およびピーク位置にどのように影響を与えるか？
• RQ5 なぜ高周波数では電流応答が滑らかになるのに対し、低周波数ではそうならないのか？

主な発見

• ωτ ≈ 2π のとき、Emax ≈ 1.03×10⁶ V/m の比較的弱い電場強度で負微分コンダクタンスが観測される。
• 電場が弱い領域での電流の低下が、スーパーラティス系よりも著しく速いため、より強い非線形応答を示している。
• 高周波数では整流プロセスが滑らかであるが、低周波数では動的応答の制限によりフラクチュエーションが生じる。
• ωτ が増加するにつれて、電流-電圧曲線のピークは左（より低い電場方向）にシフトし、非線形効果の強化を示している。
• 非オーム的 I-V 特性は、カーボンナノチューブにおける高いスターリング分裂に起因する強い非調和的バンド性に直接起因する。
• DC 電流生成に明確な閾値が存在し、与えられた ωτ 条件下では、Emax ≈ 1.03×10⁶ V/m 以上でのみ負微分コンダクタンスが観測可能である。