[論文レビュー] Terahertz response of carbon nanotube transistors

Diego Kienle, François Léonard|ArXiv.org|Jun 16, 2009

Carbon Nanotubes in Composites被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、平衡でない状態におけるバルク性カーボンナノチューブフィールド効果トランジスタ（NTFET）の時間依存量子輸送を記述する自己整合的で非平衡グリーン関数（NEGF）形式を提示している。その結果、集団的電子励起に起因するプラズモン共鳴ピークが、オン状態ではテラヘルツ（THz）周波数帯域で観測される動的コンダクタンスを示すことが明らかになった。一方、オフ状態では単一粒子効果が支配的である。ナノチューブの運動エネルギーインダクタンスが、動的静電容量における誘導的挙動を可能にする上で不可欠であることが示され、これはNTFETと従来のFETとの根本的な差異を規定する。

ABSTRACT

We present an approach for time-dependent quantum transport based on a self-consistent non-equilibrium Green function formalism. The technique is applied to a ballistic carbon nanotube transistor in the presence of a time harmonic signal at the gate. In the ON state the dynamic conductance exhibits plasmonic resonant peaks at terahertz frequencies. These vanish in the OFF state, and the dynamic conductance displays smooth oscillations, a signature of single particle quantum effects. We show that the nanotube kinetic inductance plays an essential role in the high-frequency behavior.

研究の動機と目的

• 非平衡状態下におけるナノスケールデバイスの自己整合的時間依存量子輸送フレームワークの構築を目的とする。
• バルク性カーボンナノチューブFET（NTFET）の高周波AC応答、特にテラヘルツ帯域における挙動を調査することを目的とする。
• ナノチューブのような次元が低い系における単一粒子励起と集団的（プラズモン的）励起の区別をすることを目的とする。
• ナノチューブの運動エネルギーインダクタンスが、NTFETの動的静電容量および全体的な高周波挙動をどのように規定するかを特定することを目的とする。
• ナノチューブデバイスに基づくTHz検出器および放射源の設計に理論的基盤を提供することを目的とする。

提案手法

• ゲート付きNTFETにおける時間依存量子輸送をモデル化するために、自己整合的非平衡グリーン関数（NEGF）形式が用いられている。
• 時間順序グリーン関数のダイソン方程式を、ゲートからの時間的・空間的依存性を持つ静電ポテンシャルを組み込んで解くアプローチが採用されている。
• 動的コンダクタンスは、ケルディッシュ形式および下位グリーン関数を用いて周波数依存粒子電流から計算されている。
• 電荷密度は下位グリーン関数から計算され、電荷とポテンシャルのフィードバックループを閉じるためにポアソン方程式を自己整合的に解いている。
• 動的静電容量は全電荷応答から導出されており、その周波数依存性から運動エネルギーインダクタンスに起因する誘導的挙動が明らかになっている。
• 古典的RLC回路モデルを用いて、動的静電容量の遷移周波数から運動エネルギーインダクタンス値を抽出している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自己整合的量子輸送モデリングは、テラヘルツ周波数帯域におけるカーボンナノチューブトランジスタにおいて、プラズモン共鳴と単一粒子効果を区別できるか？
• RQ2 ナノチューブの運動エネルギーインダクタンスは、NTFETの高周波インピーダンスおよび静電容量挙動を決定づける役割を果たすか？
• RQ3 ゲート付きNTFETにおけるプラズモン周波数は、チャネル長およびモード数に対してどのようにスケーリングするか？
• RQ4 なぜ動的コンダクタンスはオン状態では発散ピークを示すが、オフ状態では滑らかな振動を示すのか？
• RQ5 NTFETは、テラヘルツプラズモンの共鳴量子キャビティとしてモデル化可能か？

主な発見

• オン状態では、動的コンダクタンスがテラヘルツ周波数帯域で発散ピークを示し、これは自己整合的電子間相互作用に起因するプラズモン共鳴として特定されている。
• オフ状態では、コンダクタンスは滑らかな振動のみを示しており、集団的励起を伴わない単一粒子量子効果の支配的状態であることが示されている。
• 電荷とポテンシャルの自己整合性が、プラズモン発散ピークの出現に不可欠である。非自己整合的計算では、これらのピークは消失する。
• ポテンシャル応答から導かれる誘電関数は、プラズモン共鳴周波数でゼロに交差しており、集団的励起挙動を確認している。
• プラズモン周波数は、逆にチャネル長およびモード数に線形に比例し、プラズモン速度は2.7×10⁶ m/sであり、フェルミ速度の4倍に相当する。
• 動的静電容量の実部は、約8 THzで静電的性質から誘導的性質へと遷移しており、ナノチューブの運動エネルギーインダクタンスによる根本的誘導的寄与が示されている。30 nmデバイスでは、LK = 0.2 nHが抽出された。