[论文解读] 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 40

一句话总结

本文研究了A-B-A型碳纳米管异质结中的共振隧穿与反共振隧穿，表明(n,n)(2n,0)(n,n)体系表现出简单的共振隧穿（SRT），而(2n,0)(n,n)(2n,0)体系则呈现零传输的完美反共振。其关键贡献在于识别出反共振隧穿作为纳米管器件中此前被忽视的独立现象，其受中心区域的对称性与能带简并性支配。

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.

研究动机与目标

• 研究由金属型(n,n)和半导体型(2n,0)碳纳米管组成的A-B-A型碳纳米管异质结中的电子输运特性。
• 确定在何种条件下该体系中会出现共振隧穿（SRT）与反共振隧穿（ART）现象。
• 解释特定构型中完美传输极小值（反共振）的出现机制，特别是(2n,0)(n,n)(2n,0)结中的表现。
• 通过识别手性矢量对称性与能带简并性的角色，建立基于碳纳米管的量子效应器件的设计规则。
• 证明此前被忽视的反共振隧穿显著扩展了碳纳米管器件中可调谐量子行为的范围。

提出的方法

• 通过五边形-七边形缺陷连接(n,n)与(2n,0)手性碳纳米管，构建保持旋转对称性的直形A-B-A异质结。
• 在电子结构计算前，利用分子动力学方法对结的几何构型进行优化。
• 采用原子轨道线性组合（LCAO）方法结合非平衡格林函数形式，计算电导率。
• 通过Landauer-Büttiker形式推导出透射概率，使用关系式 σ = (8e/h) Tr[D11ρ11T12D†22ρ†21T†22]，其中D与ρ与格林函数的先进部分相关。
• 将系统简化为具有局域能级与跃迁积分的有效双链模型，以分析干涉效应。
• 利用对称性论证与角动量通道（L = ±1）解释对称构型中反共振的产生机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种条件下，A-B-A型碳纳米管异质结中会出现零传输的反共振隧穿？
• RQ2 为何(2n,0)(n,n)(2n,0)构型表现出反共振，而(n,n)(2n,0)(n,n)构型仅显示共振隧穿？
• RQ3 横向通道的简并性（L = ±1）如何影响导电谱中反共振的形成？
• RQ4 旋转对称性在决定这些异质结中干涉图样与输运行为方面起什么作用？
• RQ5 能否从单个结的电导率预测整体行为？多通道如何改变这一预测？

主要发现

• (2n,0)(n,n)(2n,0)异质结在特定能量下表现出完美的反共振，其零传输源于量子干涉的相消作用。
• 相比之下，(n,n)(2n,0)(n,n)构型表现出简单的共振隧穿，其透射峰最高可达2G₀，显示出类似法布里-珀罗的特性。
• 仅当中心(n,n)区段具有两个简并通道（L = ±1）时，才会出现反共振，从而实现完全的相消干涉。
• (2n,0)(n,n)(2n,0)体系的电导对中心(n,n)区段长度不敏感，表明其反共振行为具有高度鲁棒性。
• 对于(n,n)(2n,0)(n,n)体系，当n为6的倍数时，SRT的范围最大；而当n = 6j + 3时，SRT范围完全消失。
• 理论建模证实，反共振无法被标准SRT公式捕捉，表明其具有根本不同的物理机制。