Учет квантовых эффектов при проектировании плазмон-акустических устройств терагерцового диапазона частот

Рудольф Александрович Браже, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой физики, Ульяновский государственный  технический университет (Россия, г. Ульяновск, ул. Северный Венец, 32), brazhe@ulstu.ru
Дмитрий Андреевич Долгов, старший преподаватель кафедры физики, Ульяновский государственный технический университет (Россия, г. Ульяновск, ул. Северный Венец, 32), deimosrffi@yandex.ru

 Актуальность и цели. Графеновые и боразотные наноленты гексагональной сингонии являются перспективными материалами для использования наноакустике и наноплазмонике в качестве линий передачи терагерцового диапазона частот. Между тем, их наномасштбная ширина приводит к ряду квантово-размерных эффектов: погонным сопротивлениям, индуктивностям и емкостям квантовой природы, которые нельзя игнорировать даже в режиме баллистического транспорта сво-бодных носителей заряда. Цель исследования – показать существенное влияние ука-занных величин на электрические и волновые параметры подобных устройств. Ма-териалы и методы. Объектами исследования являлись наноленты из графена (Gr) и изоморфного ему 2D гексагонального нитрида бора (h-BN). В работе использовались известные аналитические методы классической электродинамики сверхвысоких частот, квантовой физики и зонной теории твердого тела применительно к наномас-штабным 2D кристаллическим структурам. Результаты. Получены выражения для погонных значений квантовых сопротивления, индуктивности и емкости электропро-водящей наноленты ограниченной ширины в зависимости от соответствующих кван-тов и числа каналов электропроводности, обусловленного шириной наноленты, волнового числа Ферми для свободных носителей заряда, спинового и долинного вырождений их энергетических состояний. Показано, что квантовые индуктивность и емкость наноленты на терагерцовых частотах могут на два порядка превышать соответствующие характеристики той же наноленты для поверхностных плазмон-поляритонов. Полученные результаты проиллюстрированы на примере плазмон-акустического преобразователя терагерцового диапазона частот на структуре графен – гексагональный нитрид бора. Заключение. Квантовые погонные индуктивность и емкость графеновых нанолент на терагерцовых частотах могут на два порядка превышать их соответствующие значения для поверхностных плазмон-поляритонов в той же наноленте. Это требует учитывать квантово-размерные эффекты при проектировании наноэлектромеханических устройств.

Ключевые слова

кванты электрического сопротивления, индуктивности и емкости, поверхностные плазмон-поляритоны, плазмон-акустические устройства, терагерцы

 Скачать статью в формате PDF

Для цитирования:

 Браже Р. А., Долгов Д. А. Учет квантовых эффектов при проектировании плазмон-акустических устройств терагерцового диапазона частот // Известия
высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки. 2023. № 1. С. 85–92. doi: 10.21685/2072-3040-2023-1-7