[論文レビュー] Resonant versus anti-resonant tunneling at carbon nanotube A-B-A heterostructures

Natalio Mingo, Yang Liu+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2001

Carbon Nanotubes in Composites参考文献 17被引用数 40

ひとこと要約

本稿は、A-B-Aカーボンナノチューブヘテロ構造における共鳴トンネルと反共鳴トンネルを調査し、(n,n)(2n,0)(n,n)系では単純共鳴トンネル（SRT）を示す一方、(2n,0)(n,n)(2n,0)系ではゼロ透過の完全な反共鳴を示すことを示している。主な貢献は、ナノチューブデバイスにおいてこれまで無視されてきた、対称性と中央部のチャネルデジェネラシーに支配される反共鳴トンネルという明確に別個の現象を同定したことにある。

ABSTRACT

Narrow antiresonances going to zero transmission are found to occur for general (2n,0)(n,n)(2n,0) carbon nanotube heterostructures, whereas the complementary configuration, (n,n)(2n,0)(n,n), displays simple resonant tunneling behaviour. We compute examples for different cases, and give a simple explanation for the appearance of antiresonances in one case but not in the other. Conditions and ranges for the occurence of these different behaviors are stated. The phenomenon of anti-resonant tunneling, which has passed unnoticed in previous studies of nanotube heterostructures, adds up to the rich set of behaviors available to nanotube based quantum effect devices.

研究の動機と目的

• 金属的(n,n)および半導体的(2n,0)ナノチューブで構成されるA-B-Aカーボンナノチューブヘテロ構造における電子的輸送を調査すること。
• これらの系において、共鳴トンネル（SRT）と反共鳴トンネル（ART）が発生する条件を特定すること。
• 特に(2n,0)(n,n)(2n,0)接合において、完全な透過最小値（反共鳴）が出現する理由を説明すること。
• ヘリカルベクトルの対称性とチャネルデジェネラシーの役割を同定することで、ナノチューブベースの量子効果デバイスの設計則を確立すること。
• 反共鳴トンネルがこれまで無視されてきたが、ナノチューブデバイスにおけるチューナブルな量子挙動の範囲を顕著に拡張することを示すこと。

提案手法

• 回転対称性を保つように、(n,n)および(2n,0)ヘリカルナノチューブをペンタゴン-ヘプタゴン欠陊で接続して直線的A-B-Aヘテロ構造を構築した。
• 電子構造計算の前に、結合幾何学を最適化するために分子動力学シミュレーションを実施した。
• 線形原子軌道（LCAO）法を用い、非平衡グリーン関数形式で導電度を計算した。
• ランダウエア＝ビュッティカー形式を用いて透過確率を導出し、σ = (8e/h) Tr[D11ρ11T12D†22ρ†21T†22] の関係式を用いた（Dおよびρはレディットグリーン関数に関連する）。
• 干渉効果を分析するために、オンサイトエネルギーおよびhop積分を持つ有効二重鎖モデルにシステムを簡略化した。
• 対称性の議論と角運動量チャネル（L = ±1）を用いて、対称的構成における反共鳴の出現を説明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 A-B-Aカーボンナノチューブヘテロ構造において、ゼロ透過を示す反共鳴トンネルが発生する条件は何か？
• RQ2 なぜ(2n,0)(n,n)(2n,0)構成では反共鳴が現れるのに対し、(n,n)(2n,0)(n,n)構成では単なる共鳴トンネルしか示さないのか？
• RQ3 横方向チャネルのデジェネラシー（L = ±1）は、導電度スペクトルにおける反共鳴の形成にどのように寄与するか？
• RQ4 回転対称性は、これらのヘテロ構造における干渉パターンと透過挙動を決定づける役割を果たすか？
• RQ5 単一接合の導電度から、導電度挙動を予測できるか？また、複数のチャネルはこの予測をどのように変更するか？

主な発見

• (2n,0)(n,n)(2n,0)ヘテロ構造は、特定のエネルギーで破壊的量子干渉により、透過がゼロの完全な反共鳴を示す。
• これに対して、(n,n)(2n,0)(n,n)構成は、2G₀に達する透過ピークを示し、ファブリ・ペロー様の挙動を示す単純共鳴トンネルを示す。
• 反共鳴は、中央の(n,n)部に2つのデジェネレートチャネル（L = ±1）が存在する場合にのみ発生し、完全な破壊的干渉が可能になる。
• (2n,0)(n,n)(2n,0)系の導電度は、中央(n,n)部の長さに依存しないことが判明し、反共鳴挙動の頑健性を示している。
• (n,n)(2n,0)(n,n)系では、nが6の倍数である場合にSRTの範囲が最大化され、n = 6j + 3である系ではSRTの範囲が存在しない。
• 理論的モデリングにより、反共鳴は標準的なSRT式では捉えられず、根本的に異なる物理的メカニズムであることが確認された。