En física mesoscópica , un cable cuántico es un cable conductor eléctrico en el que los efectos cuánticos influyen en las propiedades de transporte. Por lo general, estos efectos aparecen en la dimensión de nanómetros, por lo que también se denominan nanocables .
Efectos cuánticos
Si el diámetro de un cable es lo suficientemente pequeño, los electrones experimentarán un confinamiento cuántico en la dirección transversal. Como resultado, su energía transversal se limitará a una serie de valores discretos. Una consecuencia de esta cuantificación es que la fórmula clásica para calcular la resistencia eléctrica de un cable,
no es válido para cables cuánticos (donde es la resistividad del material , es la longitud, y es el área de la sección transversal del cable).
En cambio, se debe realizar un cálculo exacto de las energías transversales de los electrones confinados para calcular la resistencia de un cable. A partir de la cuantificación de la energía de los electrones, se encuentra que la conductancia eléctrica (la inversa de la resistencia) se cuantifica en múltiplos de, dónde es la carga de electrones yes la constante de Planck . El factor de dos surge de la degeneración de espín . Un solo canal cuántico balístico (es decir, sin dispersión interna) tiene una conductancia igual a este cuanto de conductancia . La conductancia es menor que este valor en presencia de dispersión interna. [1]
La importancia de la cuantificación es inversamente proporcional al diámetro del nanoalambre para un material dado. De un material a otro, depende de las propiedades electrónicas, especialmente de la masa efectiva de los electrones. Físicamente, esto significa que dependerá de cómo los electrones de conducción interactúen con los átomos dentro de un material dado. En la práctica, los semiconductores pueden mostrar una cuantificación clara de la conductancia para grandes dimensiones transversales de cables (~ 100 nm) porque los modos electrónicos debidos al confinamiento se extienden espacialmente. Como resultado, sus longitudes de onda de Fermi son grandes y, por lo tanto, tienen separaciones de baja energía. Esto significa que solo pueden resolverse a temperaturas criogénicas (dentro de unos pocos grados del cero absoluto ) donde la energía térmica es menor que la separación de energía entre modos.
Para los metales, la cuantificación correspondiente a los estados de energía más bajos solo se observa para cables atómicos. Su correspondiente longitud de onda es, por tanto, extremadamente pequeña, tienen una separación de energía muy grande que hace que la cuantificación de la resistencia sea observable incluso a temperatura ambiente.
Nanotubos de carbon
El nanotubo de carbono es un ejemplo de cable cuántico. Un nanotubo de carbono metálico de pared simple que es lo suficientemente corto como para no exhibir dispersión interna ( transporte balístico ) tiene una conductancia que se acerca a dos veces el cuanto de conductancia ,. El factor de dos surge porque los nanotubos de carbono tienen dos canales espaciales. [2]
La estructura de un nanotubo afecta fuertemente sus propiedades eléctricas. Para un nanotubo dado ( n , m ), si n = m , el nanotubo es metálico; si n - m es un múltiplo de 3, entonces el nanotubo es semiconductor con una banda prohibida muy pequeña; de lo contrario, el nanotubo es un semiconductor moderado . Así, todos los nanotubos de sillón ( n = m ) son metálicos y los nanotubos (6,4), (9,1), etc.son semiconductores. [3]
Aplicaciones
Dispositivos electrónicos
Los nanocables se pueden utilizar para transistores. Los transistores se utilizan ampliamente como elemento de construcción fundamental en los circuitos electrónicos actuales. Uno de los desafíos clave de la construcción de transistores del futuro es garantizar un buen control de puerta sobre el canal. Debido a la alta relación de aspecto, envolver el dieléctrico de la puerta alrededor del canal de nanocables puede resultar en un buen control electrostático del potencial del canal, por lo que el transistor se enciende y se apaga de manera eficiente. [4]
Detección mediante nanocables semiconductores
De manera análoga a los dispositivos de transistores de efecto de campo (FET) en los que la modulación de la conductancia (flujo de electrones / huecos ) en el dispositivo está controlada por la variación de potencial electrostático (puerta-electrodo) de la densidad de carga en el canal de conducción, la metodología de un Bio / Chem-FET se basa en la detección del cambio local en la densidad de carga, o el llamado "efecto de campo", que caracteriza el evento de reconocimiento entre una molécula diana y el receptor de superficie.
Este cambio en el potencial de superficie influye en el dispositivo Chem-FET exactamente como lo hace un voltaje de "puerta", lo que lleva a un cambio detectable y medible en la conducción del dispositivo. [5]
Ver también
Referencias
- ^ S. Datta, Transporte electrónico en sistemas mesoscópicos , Cambridge University Press, 1995, ISBN 0-521-59943-1 .
- ^ Dresselhaus, MS ; Dresselhaus, G .; Avouris, Ph. (2001). Nanotubos de carbono: síntesis, estructura, propiedades y aplicaciones . Saltador. ISBN 3-540-41086-4.
- ^ Lu, X .; Chen, Z. (2005). "Pi-conjugación curvada, aromaticidad y la química relacionada de pequeños fullerenos (C 60 ) y nanotubos de carbono de pared simple". Revisiones químicas . 105 (10): 3643–3696. doi : 10.1021 / cr030093d . PMID 16218563 .
- ^ Appenzeller, Joerg; Knoch, Joachim; Bjork, Mikael T .; Riel, Heike ; Schmid, Heinz; Riess, Walter (2008). "Hacia la electrónica de nanocables" . Transacciones IEEE en dispositivos electrónicos . 55 (11): 2827. Código Bibliográfico : 2008ITED ... 55.2827A . doi : 10.1109 / TED.2008.2008011 . S2CID 703393 .
- ^ Engel, Yoni; Elnathan, R .; Pevzner, A .; Davidi G .; Flaxer E .; Patolsky F. (2010). "Detección supersensible de explosivos por matrices de nanocables de silicio". Angewandte Chemie International Edition . 49 (38): 6830–6835. doi : 10.1002 / anie.201000847 . PMID 20715224 .