[논문 리뷰] Terahertz response of carbon nanotube transistors

Diego Kienle, François Léonard|ArXiv.org|2009. 06. 16.

Carbon Nanotubes in Composites인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 구동 상태에서 집단 전자 진동으로 인해 테라헤르츠(THz) 주파수에서 플라즈몬 공명 피크를 보이는 구동 상태에서의 시간에 따라 변하는 양자 전송을 위한 자기일관된 비평형 그린 함수(NEGF) 형식을 제시한다. 반면, OFF 상태에서는 단일 입자 효과가 지배한다. 나노튜브 운동 에너지 인덕턴스는 동적 커패시턴스에서 유도적 행동을 가능하게 하며, 이는 전통적인 FET과의 근본적인 차이를 이룬다.

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.

연구 동기 및 목표

• 비평형 조건에서의 나노스케일 장치에 대한 자기일관된 시간에 따라 변하는 양자 전송 프레임워크를 개발하기 위해.
• 특히 테라헤르츠 영역에서 구동 상태 탄소 나노튜브 FET(NTFET)의 고주파수 AC 응답을 조사하기 위해.
• 나노튜브와 같은 저차원 시스템에서 단일 입자 및 집단(플라즈몬) 진동의 차이를 밝혀내기 위해.
• NTFET의 동적 커패시턴스 및 전체 고주파수 거동에 영향을 주는 운동 에너지 인덕턴스의 역할을 규명하기 위해.
• 나노튜브 장치를 기반으로 한 THz 검출기 및 발진기 설계를 위한 이론적 기초를 제공하기 위해.

제안 방법

• 게이트가 있는 NTFET에서 시간에 따라 변하는 양자 전송을 모델링하기 위해 자기일관된 비평형 그린 함수(NEGF) 형식을 사용한다.
• 시간 및 공간에 따라 변하는 전기적 잠재력에 기반한 시간 순서 그린 함수의 딜론 방정식을 해결한다.
• Keldysh 형식과 미소 그린 함수를 사용하여 주파수에 따라 변하는 입자 전류에서 동적 도전도를 계산한다.
• 미소 그린 함수에서 전하 밀도를 계산하고, 전하와 잠재력 간의 피드백 루프를 닫기 위해 포isson 방정식을 자기일관적으로 해결한다.
• 동적 커패시턴스는 총 전하 반응에서 유도되며, 그 주파수 의존성은 운동 에너지 인덕턴스로 인한 유도적 행동을 드러낸다.
• 클래식한 RLC 회로 모델을 사용하여 동적 커패시턴스의 전이 주파수에서 운동 에너지 인덕턴스 값을 추출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자기일관된 양자 전송 모델링은 탄소 나노튜브 트랜지스터에서 테라헤르츠 주파수에서 플라즈몬 공명 피크와 단일 입자 효과를 구별할 수 있는가?
• RQ2 나노튜브 운동 에너지 인덕턴스는 NTFET의 고주파수 임피던스 및 커패시턴스 거동을 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 게이트가 있는 NTFET에서 플라즈몬 주파수의 채널 길이 및 모드 수에 따른 스케일링은 어떻게 되는가?
• RQ4 왜 동적 도전도는 ON 상태에서는 발산 피크를 보이고 OFF 상태에서는 부드러운 진동을 보이는가?
• RQ5 NTFET는 테라헤르츠 플라즈몬을 위한 공명 양자 캐비티로 모델링할 수 있는가?

주요 결과

• ON 상태에서는 동적 도전도가 테라헤르츠 주파수에서 발산 피크를 보이며, 이는 자기일관된 전자-전자 상호작용으로 인한 플라즈몬 공명으로 확인된다.
• OFF 상태에서는 도전도가 부드러운 진동만을 보이며, 집단 진동 없이 단일 입자 양자 효과가 지배하고 있음을 나타낸다.
• 전하와 잠재력 간의 자기일관성이 플라즈몬 발산 피크의 발생에 필수적이며, 비자기일관 계산에서는 이러한 피크가 사라진다.
• 잠재력 반응에서 유도된 유전율 함수는 플라즈몬 공명 주파수에서 0이 되며, 집단 진동 행동을 확인한다.
• 플라즈몬 주파수는 채널 길이의 역수와 모드 수에 비례하여 선형적으로 스케일링되며, 플라즈몬 속도는 2.7×10⁶ m/s로, 페르미 속도의 네 배이다.
• 동적 커패시턴스의 실수부는 약 8 THz에서 커패시터적 행동에서 유도적 행동으로 전이되며, 나노튜브 운동 에너지 인덕턴스로 인한 근본적인 유도 기여를 나타내며, 30 nm 장치에 대해 LK = 0.2 nH로 추출된다.