Математическое моделирование рассеяния на примесях в электронном транспорте квазиодномерных наноструктур

Физическая постановка задачи.

В последние два десятилетия физические свойства наноструктур привлекают к себе все большее внимание. Это обусловлено несколькими причинами. Во-первых, в мезоскопических системах были открыты интересные физические эффекты, имеющие фундаментальное значение: целый [1] и дробный [2] квантовые эффекты Холла, эффект Ааронова-Бома в квантовых кольцах [3], квантование кондактанса в баллистических проводниках [4], ре' зонансы Брейта-Вигнера и Фано в электронном транспорте [5−7] и ряд других. Это дает повод ожидать открытия в наноструктурах и других важных с точки зрения фундаментальной физики эффектов. Во-вторых, устройства на основе наноструктур стали активно внедряться электронной инженерией в производство и стимулировали его прогресс. В современных полупроводниковых технологиях уже применяются такие наноструктуры, как сверхрешетки, квантовые ямы, и проволоки. Успехи в области нанотехнологий позволяют надеяться на возможность создания в будущем новых типов электронных устройств на основе различных наноструктур.

Одними из наиболее интересных приложений мезоскопики являются квантовые вычисления и квантовые компьютеры. Наноэлектронные устройства обладают целым рядом неоспоримых преимуществ перед микроэлектронными устройствами: компактность, энергосбережение, быстродействие и т. д. В ряде работ предложены возможные конструкции квантового интерференционного транзистора, квантового переключателя [8, 9], они, в свою очередь, могут использоваться в качестве структурных элементов квантовых приборов электроники будущего. Сейчас интенсивно ведутся разработки альтернативных концепций проектирования вычислительных устройств. Од-ноэлектронный транзистор может применяться как запоминающий элемент в устройствах нано-флэш памяти. Диоды, основанные на резонансном тун-нелировании, находят различные применения, такие как аналого-цифровые преобразователи с частотой 10−100 ГГц, генераторы квантовых импульсов (для часовых устройств), сдвиговые регистры и элементы памяти со сверхнизким потреблением энергии. Таким образом, наноструктуры могут найти свое применение в области вычислительной электроники, где обычные кремниевые элементы (из-за ограниченности литографической технологии) не дают сравнимых частот, и где применение криогенной техники, возможно, будет оправдано. Очевидно, что электронные свойства наноструктур должны быть исследованы до появления технологии их массового изготовления. В связи с этим исследование электронного транспорта в различных наноструктурах является весьма актуальной задачей.

В последнее время резко возрос интерес к экспериментальным и теоретическим исследованиям искривленных наноструктур с примесями (с различными включениями, в том числе с примесями). Это обусловлено тремя основными причинами. Во-первых, наличие дискретного энергетического спектра электронов в таких структурах позволяет осуществлять резонансный транспортный режим в содержащих их устройствах. Во-вторых, создание идеально чистых образцов является очень трудной технологической задачей. В-третьих, характер электронного транспорта в искривленных структурах сильно зависит от положения контактов и примесей, что делает возможным получение систем с заданными свойствами путем выбора точек присоединения контактов и нахождения примесей. Таким образом, наличие примесей в структуре меняет её магнитные, транспортные и оптические свойства. Для описания этих свойств необходимо изучить влияние примесей. Для рассмотрения этого влияния в свою очередь необходимо построить для изучаемой системы адекватную модель, учитывающую наличие примесей и контактов.

Для исследования влияния примесей на физические свойства различных наноструктур были разработаны различные модели, позволяющие получить решения этой задачи аналитически. Одной из них является модель сильной связи [10], в которой короткодействующие включения моделируются замкнутой цепочкой нескольких атомов, связанных между собой прыжковым интегралом. Например, в [11] с помощью этой модели описывалась квантовая точка в одном из плеч кольца Ааронова-Бома. Кольцо рассматривалось как одномерная цепочка, состоящая из 2 7 атомов (ячеек). Квантовая точка моделировалась как кластер из трех атомов (ячеек), прыжковый интеграл между которыми отличался по величине от аналогичного между атомами кольца.

В рамках этой модели на основе численных методов, а именно, конечно-разностных схем, можно рассчитать, например, функции Грина и матрицы рассеяния для проводников произвольной формы. Но, наряду с этим неоспоримым преимуществом, метод обладает недостатком: шаг сетки а, на которую заменяется реальная структура, должен стремиться к нулю [10] (должно выполняться условие ка —> 0 (к — волновой вектор электрона) для того, чтобы дисперсионное соотношение для дискретной сетки перешло в соответствующее соотношение для непрерывной структуры). Ясно, что для проведения расчетов с хорошей точностью, необходимо решить систему очень большого количества уравнений, число которых равно числу точек аппроксимации (узлов сетки). Если же брать небольшое число точек, то эта схема будет работать только для области малых энергий. Также следует отметить, что результат в этой модели зависит от числа точек, которыми аппроксимируется примесь.

Для описания возмущений в системах также используют модели, явно учитывающие геометрию включений. Здесь следует отметить работы [5,12, 13], в которых рассеиватели моделировались потенциальными ямами конечных размеров в соответствующей размерности. Такие модели, естественно, могут успешно применяться, но следует учитывать тот факт, что далеко не каждое возмущение может быть описано простой моделью потенциальной ямы.

Упомянутые выше модели представляют определенный интерес, и позволяют выявить особенности поведения магнитотранспорта и кондаксанса различных структур при наличии примесей. В то же время они имеют и ряд недостатков, о которых было сказано выше.

Имеется еще одна достаточно простая, но очень эффективная модель для описания примесей и дефектов — это модель потенциалов нулевого радиуса [9,14−18]. Подробное описание метода потенциалов нулевого радиуса и целый ряд квантовомеханических задач, допускающих точное решение с применением этого метода, представлено в книге [19]. Основы метода изложены и в книге [20], где, в частности, подробно обсуждается предельный переход от потенциальной ямы конечных размеров к точечному потенциалу. Суть метода в том, что при устремлении радиуса потенциальной ямы к нулю и одновременном увеличении характерной глубины ямы (обратно пропорционально квадрату радиуса ямы) частица будет находиться в основном вне ямы, и ее можно будет рассматривать как свободную, если заменить яму граничным условием в соответствующей точке. Граничное условие задает производную функции (гф) и имеет вид.

1 д (гф) ф^Г 1-о= (1) где г — расстояние от частицы до центра потенциальной ямы (г меньше радиуса ямы). Коэффициент, а = у/2тЕо/Н2 (Ео — энергия связи) в граничном условии может быть как положительным, так и отрицательнымпоследнее соответствует случаю, когда нет связанного состояния (яма мелкая). Таким образом, задавая величину и знак параметра см, можно поставить задачу как о связанных состояниях, так и о рассеянии. Величину 2тг/а можно условно назвать мощностью потенциальной ямы. Коэффициент, а выражается через так называемую длину рассеяния, а по формуле, а = 1/а.

Добавление к потенциалу малого радиуса медленно меняющегося потенциала (внешнее поле) не изменяет граничного условия [20]. Поэтому во всех точках пространства, кроме точки, в которой находится яма нулевого радиуса, волновая функция частицы удовлетворяет уравнению Шредингера Нф = Еф, где в гамильтониане Н — Т + У помимо оператора кинетической энергии может присутствовать и некоторый потенциал У (г), не имеющий особенностей в точке нахождения потенциала нулевого радиуса. В [19] показано, что волновая функция электрона в поле потенциала нулевого радиуса и потенциала У {г) с точностью до постоянного множителя совпадает с функцией Грина для уравнения Шредингера с потенциалом У (г). Трехмерная функция.

Грина в замкнутой форме может быть найдена для многих важных случаев (например, свободная частица, однородное иоле, кулоновокое поле, поле гармонического осциллятора и некоторые другие).

В случае, когда имеется несколько потенциалов нулевого радиуса, граничное условие на волновую функцию задается не в одной точке, а в нескольких (в точках, где сосредоточены эти потенциалы).

Таким образом, удобство этого метода заключается в том, что возмущение с потенциалом нулевого радиуса задается с помощью граничных условий.

Этот метод имеет ряд преимуществ. Во-первых, этот метод позволяет точно учесть эффекты, связанные с многократным рассеянием (в том числе на бесконечном числе рассеивателей), действие на физические системы различного рода возмущений, которые не являются малыми, и т. д. Во-вторых, метод дает возможность единообразно и аналитически решить как задачу о связанных состояниях, так и о рассеянии. С его помощью можно исследовать как дискретный, так и сплошной спектр. Для многих важных задач квантовой механики, когда обычные приближенные методы неприменимы (или возможность их применения неясна), аналогичные задачи с потенциалом нулевого радиуса оказываются точно разрешимыми.

Многоцентровое точечное взаимодействие в одномерном, двумерном и трехмерном случаях с математической точки зрения подробно рассматривалось в монографии [21].

При описании электронного транспорта в искривленных наноструктурах метод потенциалов нулевого радиуса можно использовать не только с целью моделирования рассеяния на примесях, но и для моделирования рассеяния на точечных контактах. Этот случай может быть реализован на практике, например, когда один из проводников представляет собой зонд атомного силового микроскопа [22,23]. Ясно, что устройство с точечными контактами интересно с теоретической точки зрения, поскольку в этом случае удается получить явные формулы для матрицы рассеяния устройства, которые могут служить основой для понимания и описания результатов, полученных в других, более сложных и реалистичных моделях.

Этот метод широко применялся в физике наноструктур. С его помощью исследовался транспорт при наличии одиночной точечной примеси в различных наноструктурах, таких, как, квазиодномерный канал в 2БЕО в параллельном магнитном поле [24], трехмерное сужение в продольном магнитном поле [25], двумерный канал [26−29]. В [29] теоретически изучалось рассеяние на одиночной примеси в двумерном канале, помещенном в перпендикулярное магнитное поле. В модели потенциалов нулевого радиуса получен явный вид законов дисперсии для углеродной нанотрубки в однородном магнитном ноле без примеси [30], а также баллистический кондактанс квантовой проволоки при наличии нескольких примесей [31]. В [32] рассматривались различные модели, описывающие движение двумерных электронов в магнитном поле при наличии примесей, моделируемых потенциалами нулевого радиуса. В [33,34] из потенциалов нулевого радиуса была построена двумерная решетка. Решетка помещалась в поперечное магнитное поле, поток которого через ячейку решетки рационален. В [33] исследовалась структура спектра в наиболее простом случае, когда элементарная ячейка решетки одноатомная, а поток через элементарную ячейку — четное число. Была найдена функция Грина магнитно-блоховского электрона в двумерной решетке точечных потенциалов, что дало возможность определить спектр этого оператора в случае рационального потока через элементарную ячейку решетки. В [34] была изучена структура спектра Н при произвольном рациональном потоке и для общего случая многоатомной ячейки. В [35] изучено рассеяние на точечных дефектах в 2Би ЗО-системах в рамках модели потенциалов нулевого радиуса. Проводимость 2Б электронного газа в квантующем магнитном поле при рассеянии на системе потенциалов нулевого радиуса, моделирующих точечные дефекты, исследовалась в [36]. Именно этот метод используется для моделирования примесей и контактов в диссертации. Отметим, что примеси можно описывать как точечные, если скорость электронов предполагается настолько малой, что длина волны частицы велика по сравнению с радиусом действия поля примеси С/(г), а энергия частицы мала по сравнению с величиной поля внутри этого радиуса [19,37].

Общая характеристика работы.

Для того, чтобы правильно интерпретировать результаты экспериментов по изучению физических свойств наноструктур с примесями, необходимо теоретически предсказать какие эффекты могут появляться при внесении примесей в систему. Теоретическое исследование транспорта в наноструктурах является сложной проблемой, особенно, если система обладает кривизной. Влияние примесей на свойства искривленных наноструктур является относительно малоизученным, а большинство теоретических исследований в этой области, как правило, ограничиваются априорным введением матрицы рассеяния и слегка модифицированными стартовыми выражениями, а далее применяются численные методы, которые далеко не всегда позволяют выявить физическую природу различных явлений, а также проанализировать их особенности.

В связи с этим возникает проблема диссертационного исследования:

1. построить математическую модель для описания электронного транспорта в наноструктурах при наличии нескольких короткодействующих примесейна основе этой модели исследовать электронный транспорт на поверхности квантового цилиндра, в двухтерминальном кольце Аароно-ва-Бома и в цепочке колец;

2. получить удобные для анализа аналитические формулы для кондактанса рассматриваемых наносистем, а также одноэлектронный энергетический спектр для цепочки колец;

3. провести аналитическое и численное исследование зависимости кондактанса наноструктур от параметров систем;

4. создать программы для численного расчета кондактанса кольца и цилиндра и для построения спектра цепочки колец;

5. исследовать влияние расположения контактов на полученные зависимости;

6. исследовать влияние расположения примесей на полученные зависимости;

7. изучить влияние параметров контактов и примесей на электронный транспорт;

8. исследовать влияние внешнего магнитного поля на электронный транспорт в кольцах и цилиндре.

Преимуществом рассматриваемой в работе модели является возможность явного учета влияния положения примесей и контактов, а также их параметров на электронный транспорт рассматриваемых наноструктур. Как показано ниже, асимметрия в положении контактов и наличие примесей оказывает существенное влияние на электронный транспорт и может приводить к возникновению таких эффектов, как резонансы Фано.

Перечислим основные используемые в диссертации методы и подходы. Для исследования транспортных свойств наноструктур используется формализм Ландауэра-Бюттикера [38−42], позволяющий выразить кондак-танс проводника через коэффициенты прохождения электрона через систему. Для построения электронного гамильтониана наноструктуры и определения коэффициентов прохождения электрона в диссертации используется метод, основанный на теории самосопряженных расширений симметрических операторов. Этот метод применен для исследования влияния рассеяния на примесях па электронный транспорт двухтермииального кольца Ааронова-Бома, цепочки колец и квантового цилиндра. В диссертации разработан удобный подход для анализа коэффициента прохождения, основанный на разложении формулы для коэффициента прохождения в ряд Тейлора в окрестности ре-зонансов.

Научная новизна и значимость работы определяется следующими основными результатами теоретического исследования.

1. Построена модель, позволяющая исследовать электронный транспорт в наноструктурах с присоединенными к ним в произвольных точках одномерными проводниками при наличии точечных примесей.

2. На основе этой модели исследован электронный транспорт через кольцо Ааронова-Бома с двумя присоединенными к нему проводниками при наличии точечных примесей. Получены аналитические формулы для коэффициента прохождения электронов в этой системе.

3. Показано, что зависимость коэффициента прохождения электрона через кольцо от энергии носит резонансный характер. Аналитически показано существование асимметричных резонансов Фано в разработанной модели. Найдены положения пиков и нулей резонансоввыражения, связывающие ширины резонансов с параметрами примесей и контактов. Показано, что при определенных положениях примесей наблюдается коллапс резонансов Фано.

4. Исследован электронный транспорт через цепочку одномерных колец при наличии магнитного поля. Найден электронный энергетический спектр для различных моделей соединения колец в цепочку. Изучено влияние параметров контактов между кольцами и соединяющими их одномерными проводниками (длина этих проводников, величина потока магнитного поля через кольца, а также положение контактов) на спектр.

5. Изучен электронный транспорт в квантовом цилиндре при наличии нескольких короткодействующих примесей на его поверхности. Получены аналитические выражения для коэффициента прохождения электрона и кондактанса системы. Исследовано влияние параметров примесей на кондактанс.

6. Разработаны программный комплекс и специальные численные методы для построения энергетического спектра цепочки одномерных колец, а так же программы для построения зависимостей кондактанса двухтер-минального кольца Ааронова-Бома и квантового цилиндра от параметров систем при различном числе примесей.

Характеризуя практическую значимость работы отметим следующее.

1. Методы и модели, используемые в работе, могут быть использованы при исследовании особенностей электронного транспорта в других наноструктурах, содержащих точечные примеси.

2. Сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными может дать ценную информацию о параметрах электронного энергетического спектра, примесей и контактов.

3. Результаты проведенного анализа резонансной структуры коэффициента прохождения могут быть использованы при разработке новых резонансных наноэлектронных приборов на базе рассматриваемых систем.

4. Результаты изучения зонной структуры в цепочке колец в зависимости от различных параметров системы могут быть использованы для получения структур с наперед заданным энергетическим спектром. Такие образцы нужны, например, для создания фотодетекторов, работающих на основе переходов между минизонами, в различных диапазонах частот.

Апробация результатов работы.

Результаты работы докладывались на конференциях и семинарах:

1. Международная конференция «Fundamentals of Electronic Nanosystem» NanoPeter-2010 (St. Petersburg, 2010).

2. VIII российская конференция по физике полупроводников (Екатеринбург, 2007 г.).

3. VIII и IX всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и наноструктур и полупроводниковой нанои онтоэлектронике (Санкт-Петербург, 2006 г., 2007 г.).

4. Всероссийская молодежная научная школа «Материалы нано-, микрои оптоэлектроники: физические свойства и применение» (Саранск, 2006 г., 2007 г., 2008 г., 2009 г.).

5. X научная конференция молодых ученых, аспирантов и студентов Мордовского государственного университета имени Н. П. Огарева (Саранск, 2006 г.).

Публикации.

По результатам проведенных исследований опубликовано 12 работ [4354], в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК [43−45].

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Зависимость коэффициента прохождения двухтерминалыюго кольца Ааронова-Бома от энергии электронов носит осцилляционный характер. В присутствии примесей эта зависимость содержит вблизи дискретных энергетических уровней квантового кольца резонансы Фано. Необходимым условием существования резонансов является частичное нарушение симметрии системы. Ширина резонансов существенно зависит от положения точек контактов и примесей.

2. Возможны два механизма исчезновения нулей кондактанса в кольце. Первый механизм — это коллапс резонансов Фано при определенных положениях примесей и значениях магнитного поля. Второй — сдвиг нуля коэффициента прохождения с действительной оси в комплексную плоскость энергий. Коллапс резонансов Фано сопровождается повышением симметрии системы, в то время как второй механизм обусловлен понижением этой симметрии.

3. В общем случае одноэлектронный энергетический спектр цепочки одномерных колец имеет зонную структуру, перекрытия зон не происходит. При определенных условиях в системе имеются дискретные уровни. Параметр взаимосвязи между кольцами определяет ширину запрещенных зон. При отсутствии связи между кольцами разрешенные зоны вырождаются в дискретные уровни изолированного кольца.

4. Зонная структура цепочки колец чувствительна к положению контактов на кольце. При определенных положениях контактов на кольце дискретные уровни могут трансформируются в минизоны.

5. В спектре цепочки колец, соединенных между собой проводниками в не диаметрально противоположных точках, при наличии магнитного поля появляются непрямые запрещенные зоны.

6. Зависимость коидактанса квантового цилиндра от химического потенциала носит ступенчатый характер. Примесь приводит к появлению провалов, связанных с резонансным рассеянием на виртуальном уровне. Глубина провалов зависит от длины рассеяния примеси. При наличии двух и более примесей на зависимости G ([i) имеются резонансы Фано. При определенных положениях примесей и значении магнитного поля происходит коллапс резонансов Фано. Кроме коллапса возможен второй механизм исчезновения резонанса — его сглаживание при соответствующих условиях.

7. При наличии двух примесей на одной образующей цилиндра на малом расстоянии друг от друга, зависимость кондактанса от химического потенциала подобна случаю одной примеси. Если расстояние между примесями много больше радиуса цилиндра, то интерференция электронных волн, рассеянных на разных примесях, приводит к появлению осцилля-ций на зависимости G (fi).

8. Программные комплексы, разработанные для решения поставленных задач:

• программа, написанная на языке Pascal, для численного исследования зависимости коэффициента прохождения двухтерминального кольца от параметров системы при наличии нескольких примесей,.

• программный комплекс, разработанный на языке TurboDelphi, для расчета и построения спектра и кондактанса цепочки одномерных колец,.

• программа, написанная на языке Pascal, для численного исследования зависимости кондактанса квантового цилиндра от параметров системы при наличии нескольких примесей.

9. Численные методы, разработанные для расчета спектра и кондактанса цепочки одномерных колец.

Личный вклад автора в работу заключается в участии в решении поставленных задач и интерпретации полученных результатов. Численный анализ проведен автором самостоятельно.

Изложение диссертационных исследований построено следующим образом.

В Главе 1 приводится литературный обзор наиболее важных работ, сделанных в области диссертационного исследования.

В Главе 2 построена модель одномерного двухтерминального кольца Ааронова-Бома при наличии на нем нескольких короткодействующих рас-сеивателей и с помощью этой модели исследован электронный транспорт в системе. Для моделирования рассеивателей и точек контактов используется теория потенциалов нулевого радиуса. Получено выражение для кондактанса системы в зависимости от энергии электрона, потока магнитного поля через кольцо и положения рассеивателей для общего случая N примесей. Подробно рассмотрены случаи рассеяния электронов на одной и двух примесях. Получены аналитические выражения для амплитудного коэффициента прохождения в этих случаях. Показано, что зависимость коэффициента прохождения от энергии электрона содержит асимметричные резонансы Фано. Изучено поведение резонансов в зависимости от положения примесей и величины магнитного поля. Выявлены условия возникновения резонансов. Показано, что при определенных параметрах системы может происходить коллапс резонансов Фано.

Глава 3 посвящена получению и исследованию электронного энергетического спектра и кондактанса периодической структуры, состоящей из одномерных колец Ааронова-Бома, соединенных между собой одномерными проводниками. Контакты колец с проводниками моделируются с помощью потенциалов нулевого радиуса. Исследованы случаи различной геометрии соединения колец. Получены дисперсионные соотношения. Изучено влияние положения контактов, длины проводников, соединяющих кольца, а также величины потока магнитного поля через кольцо на структуру энергетического спектра и кондактанс. Установлена возможность и условия существования непрямых запрещенных зон.

В Главе 4 изучается электронный транспорт квантового цилиндра при наличии нескольких короткодействующих примесей на его поверхности. Получена явная формула для кондактанса системы при нулевой температуре. Подробно рассмотрены случаи одной и двух примесей. Показано, что наличие точечных возмущений приводит к появлению провалов в кондактансе, связанных с резонансным рассеянием электронов. В случае одной примеси глубина провала равна одному кванту кондактанса, а его положение зависит от силы точечного потенциала. Интерференция электронных волн, рассеянных на разных примесях, приводит к появлению осцилляций на зависимости кондактанса от химического потенциала.

В Заключении приводится краткая сводка основных результатов диссертационной работы.

В Приложениях приводится листинг программ, разработанных для численных расчетов кондактанса и спектра рассматриваемых систем.

Автор выражает свою глубокую благодарность научному руководителю В. А. Маргулису за неоценимую помощь при подготовке кандидатской диссертации, а также М. А. Пятаеву за консультации и помощь в расчетах.

Обозначения.

В — вектор индукции магнитного поля с — скорость света в вакууме е — заряд электрона т — магнитное квантовое число то — масса свободного электрона т* - эффективная масса электрона.

Н — постоянная Планка.

Фо = 2-ксН/е — квант магнитного потока.

1 — химический потенциал к = /2т*Е/К — волновое число электрона.

Ер — энергия Ферми о (Е) = 1/(1+ехр[(?'—/?)/Г]) — функция распределения Ферми-Дирака? — амплитудный коэффициент прохождения Т — энергетический коэффициент прохождения С0 = 2е2//г — квант кондактанса.

Основные результаты исследований:

1. Показано, что зависимость коэффициента прохождения от энергии электронов для двухтерминального кольца носит осцилляционный характер. В присутствии примесей эта зависимость содержит вблизи дискретных энергетических уровней квантового кольца резонансы Фано. Необходимым условием существования резонансов является частичное нарушение симметрии системы либо с помощью несимметричного расположения контактов, либо с помощью примесей, либо с помощью магнитного поля. Резонансы возникают в результате взаимодействия распространяющихся электронных волн с локализованными состояниями дискретного спектра при совпадении их энергий. Найдено выражение для ширины резонансов, которое показывает, что она существенно зависит от положения точек контактов и примесей.

2. Установлено, что возможны два механизма исчезновения нулей кондак-танса. Первый механизм — это коллапс резонансов Фано при определенных положениях примесей и значениях магнитного поля. При этом полюс амплитуды рассеяния спускается с комплексной плоскости энергий на действительную ось в точку нахождения нуля коэффициента прохождения. При этом мнимая часть комплексной энергии, определяющая ширину резонанса, стремится к нулю. В этом случае уменьшается ширина резонансов Фано, а их глубина остается неизменной.

3. Установлено, что в системе возможен другой механизм исчезновения пулей коэффициента прохождения, при котором нуль сдвигается с действительной оси в комплексную плоскость энергий. В этом случае уменьшается не ширина, а глубина соответствующего провала. Отметим, что коллапс резонансов Фано, сопровождается повышением симметрии системы, в то время как, при сдвиге нулей в комплексную плоскость симметрия понижается.

4. Исследована зонная структура цепочки одномерных колец при наличии магнитного поля, перпендикулярного плоскости колец. В общем случае спектр цепочки колец имеет зонную структуру, перекрытия зон не происходит. В системе имеются дискретные уровни вблизи уровней изолированного кольца. Они соответствуют локализованным на кольцах электронам. При уменьшении параметра связи между кольцами ширина запрещенных зон растет и в пределе разрешенные зоны вырождаются в дискретные уровни изолированного кольца. При этом они становятся двукратно вырожденными.

5. Показано, что зонная структура чувствительная к положению контактов на кольцах. Если кольца имеют между собой непосредственный контакт в диаметрально противоположных точках, то дискретные уровни существуют вне зависимости от магнитного поля. При зигзагообразном соединении колец в цепочку без проводников дискретные уровни есть, но часть из них может пропадать при соединении колец в определенных точках. Если кольца соединены в диаметрально противоположных точках проводниками, то дискретные уровни в присутствии магнитного поля трансформируются в узкие минизоны.

При недиагональном подключении проводников к кольцу (в элементарной ячейке цепочки колец, соединенных между собой проводниками) дискретные уровни изолированного кольца трансформируются в мини-зоны и в отсутствии магнитного поля. При наличии магнитного поля в такой цепочке из-за отсутствия в системе инверсной симметрии зависимость энергии от квазиимпульса становится асимметричной, появляются дополнительные непрямые запрещенные зоны.

6. Показано, что зависимость кондактанса квантового цилиндра от химического потенциала имеет ступенчатый характер. Примесь приводит к появлению провалов, связанных с резонансным рассеянием на виртуальном уровне. Глубина провалов зависит от длины рассеяния примеси. При наличии двух и более примесей на зависимости кондактанса от химического потенциала имеются резонансы Фано. Коллапс резонансов в коэффициенте прохождения электрона происходит при нахождении примесей на противоположных образующих цилиндра в одном сечении в отсутствие магнитного поля. Кроме коллапса существует второй механизм исчезновения резонанса — трансформация резонанса в провал путем сглаживания его экстремумов при увеличении расстояния между примесями вдоль оси цилиндра.

7. Установлено, что при наличии двух примесей на одной образующей цилиндра на малом расстоянии друг от друга, зависимость кондактанса от химпотенциала подобна случаю одной примеси. Если расстояние между примесями много больше радиуса цилиндра, то интерференция электронных волн, рассеянных на разных примесях, приводит к появлению осцилляций на зависимости.

Заключение

.

В работе проведены теоретические исследования влияния короткодействующих примесей, моделируемых потенциалами нулевого радиуса, на электронный транспорт квазиодномерных наноструктур таких как однослойная нанотрубка, двухтерминальное кольцо Ааронова-Бома и цепочка колец. Для этого были использованы математические модели тонкого цилиндра и одномерного кольца. Получены явные аналитические выражения, удобные для анализа, для кондактанса квантового цилиндра и кольца, и дисперсионные соотношения для цепочек колец. Разработаны программы для численного исследования зависимостей кондактанса квантового цилиндра и кольца Ааронова-Бома от параметров систем при различном числе примесей, а так же программный комплекс и специальные численные методы для построения одноэлектронного энергетического спектра цепочки одномерных колец с различным типом соединения.