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介观纳米体系中的电磁场响应

全军  
【摘要】: 介观纳米体系的研究是目前凝聚态物理中十分活跃的前沿研究领域之一。它不但揭示出一系列重要的物理内禀,同时也呈现出其广阔的应用前景,而且对介观体系的研究有助于量子力学等的一些基本原理进行理论上的说明和实验上的验证。本论文较系统的研究了介观纳米体系中的电子动态输运和表面等离子极化激元,实际上这一类问题都归结于介观纳米体系对外场或外加势的响应,即电磁场响应,其主要目的在于揭示这些结构中的新效应及其物理机制,并为设计和实现具有优良性能的量子器件提供物理模型和理论依据。 最近很多研究表明纳米管晶体管将会在未来的微电子技术及信息系统中起非常重要的作用,有望取代目前的硅晶体管成为更高性能的信息材料。目前有关碳纳米管器件的输运性质的研究中,对接点性质等的研究已有不少报道,但讨论大多集中在接点的电阻特性上,并局限于直流(稳恒)输运问题,因此为了进一步地研究介观纳米体系中电子动态输运的接点效应,基于Buttiker的散射矩阵理论,本文讨论了在动态输运情况下,接点对于双势垒纳米结构中的电子输运的影响,同时我们还讨论了体系内部特征势和电荷密度的分布、体系交流电导,偶极子以及电容等物理量。结果表明,在谐振情况下接点对交流输运性质有非常显著的影响。这些讨论和结论对于介观纳米器件的实际制备和开发具有重要意义。然而该方法是基于低频极限,有着一定的局限性。为了更好地研究电子的输运特性以及电子间的强关联相互作用的影响,我们在线性响应理论和无规相近似的基础上,利用动态自洽场方法处理相互作用电子气并且得到了在一般频率情况下的介观体系中电子动态输运的自洽理论。该理论适应于任意的边界条件和外场频率,具有普适性。运用该理论我们将讨论相干平行板电容与外场频率的关系以及体系内部特征势和电荷密度的分布、类等离子激发。为了进一步说明体系中的尺寸效应,我们还将讨论相干平行板电容器的电容与其极板间的距离之间的关系,并与经典几何电容相比较。所有结果表明,电容的频率特性与类等离激元有密切关系,而且对于尺寸效应的讨论中必须考虑体系表面电荷的分布特点,从而引入了有效屏蔽长度的概念。 最后,运用标准的线性响应理论和动态自洽场方法,我们得到了处理超薄金属薄膜电磁场问题的一般性的非局域方程。运用该非局域场方程,我们将针对金属金讨论纳米薄膜表面等离子极化激元等问题,其重点是表面等离子极化激元的色散关系以及金属薄片表面感应电荷和电流密度的分布。


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