[论文解读] Terahertz response of carbon nanotube transistors

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

Carbon Nanotubes in Composites被引用 3

一句话总结

本文提出了一种自洽的非平衡格林函数（NEGF）形式化方法，用于研究弹道碳纳米管场效应晶体管（NTFET）中的时变量子输运，揭示了在开启状态下，由于集体电子激发，动态电导在太赫兹（THz）频率下表现出等离子共振峰，而在关闭状态下则以单粒子效应为主导。研究还表明，纳米管的动能电感在实现动态电容的感性行为中起着决定性作用，从根本上将NTFET与传统FET区分开来。

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.

研究动机与目标

• 开发一种适用于非平衡条件下纳米尺度器件的自洽时变量子输运框架。
• 研究弹道碳纳米管场效应晶体管（NTFET）的高频交流响应，特别是太赫兹频段的特性。
• 区分低维体系（如纳米管）中单粒子激发与集体（等离子体）激发的贡献。
• 确定动能电感在塑造NTFET的动态电容及整体高频行为中的作用。
• 为基于纳米管器件设计太赫兹探测器与发射器提供理论基础。

提出的方法

• 采用自洽的非平衡格林函数（NEGF）形式化方法，对栅控NTFET中的时变量子输运进行建模。
• 该方法求解时间有序格林函数的Dyson方程，引入来自栅极的时变与空间依赖的静电势。
• 利用Keldysh形式化和小格林函数，从频率相关的粒子电流计算动态电导。
• 通过小格林函数计算电荷密度，并自洽求解泊松方程，以完成电荷与势能之间的反馈回路。
• 从总电荷响应推导出动态电容，其频率依赖性揭示了由动能电感引起的感性行为。
• 采用经典RLC电路模型，从动态电容的转折频率中提取动能电感值。

实验结果

研究问题

• RQ1 自洽的量子输运建模能否在太赫兹频率下区分碳纳米管晶体管中的等离子共振与单粒子效应？
• RQ2 纳米管动能电感在决定NTFET的高频阻抗与电容行为中起什么作用？
• RQ3 门控NTFET中的等离子体频率如何随沟道长度和模态数变化？
• RQ4 为何动态电导在开启状态下表现出发散峰，而在关闭状态下仅呈现平滑振荡？
• RQ5 NTFET能否被建模为太赫兹等离子体的共振量子腔？

主要发现

• 在开启状态下，动态电导在太赫兹频率下表现出发散峰，这些峰被识别为由于自洽电子-电子相互作用引起的等离子体共振。
• 在关闭状态下，电导仅表现出平滑振荡，表明单粒子量子效应占主导，无集体激发。
• 电荷与势能之间的自洽性对等离子体发散峰的出现至关重要；非自洽计算会消除这些峰。
• 从势能响应导出的介电函数在等离子体共振频率处出现零交叉，证实了集体激发行为。
• 等离子体频率与沟道长度和模态数的倒数呈线性关系，等离子体速度为2.7×10⁶ m/s，是费米速度的四倍。
• 动态电容的实部在约8 THz处由容性行为转变为感性行为，表明纳米管动能电感存在根本性的感性贡献，对于30 nm器件提取的LK = 0.2 nH。