A5 Unerwünschte Quanteneffekte: Coulomb-Blockierung

Thema

Diese Nanostruktur bewirkt, dass die Ladeenergie eines einzelnen zusätzlichen Elektrons – also die Energie, die benötigt wird, um dieses Elektron in die Nanostruktur einzubringen – im Vergleich zur verfügbaren thermischen Energie nicht mehr vernachlässigbar, sondern signifikant wird, sofern sie klein genug und schwach an die umgebenden Elektroden gekoppelt ist. In einer makroskopischen Struktur wäre dieselbe Ladeenergie eines einzelnen Elektrons unbedeutend, doch in dieser Nanostruktur mit ihrer deutlich geringeren elektrischen Kapazität trägt dieselbe Ladung vergleichsweise viel mehr Ladeenergie bei. Da diese Nanostruktur noch kleiner und noch schwächer an die Elektroden gekoppelt ist, ist diese Ladeenergie eines einzelnen Elektrons folglich noch bedeutsamer.

Die bereits signifikante Ladeenergie eines einzelnen Elektrons führt zu einer Energiebarriere, die ein zusätzliches Elektron überwinden muss, bevor es in diese Nanostruktur eintritt. Diese Energiebarriere verursacht die Coulomb-Blockierung: Solange die an die Nanostruktur angelegte Spannung nicht ausreicht, um diese Energiebarriere zu überwinden, kann kein weiteres Elektron eintreten, und der durch die Nanostruktur fließende elektrische Strom wird somit blockiert. Eine höhere Ladungsenergie eines einzelnen Elektrons führt zu einer höheren Energiebarriere, wodurch eine höhere angelegte Spannung erforderlich ist, um diese Coulomb-Blockierung zu überwinden.

Daher stört dieses Modell mit der Ladungsenergie eines einzelnen Elektrons und der sie öffnenden Coulomb-Blockierung die quantisierte Leitfähigkeit, die laut einem anderen Modell dieser Gruppe idealerweise den Quantentransport durch eine solche Nanostruktur beschreibt: Anstelle dieser idealen quantisierten Leitfähigkeit, die das andere Modell als eine Reihe perfekt definierter Stufen bei steigender Spannung vorhersagt, führt diese Coulomb-Blockierung zwischen denselben Stufen zu einem zusätzlichen Bereich blockierten elektrischen Stroms, der vom idealen Quantentransport nicht erklärt wird. Die Tatsache, dass diese Ladungsenergie eines einzelnen Elektrons in dieser sehr kleinen und schwach gekoppelten Nanostruktur signifikant genug ist, um diese Coulomb-Blockierung hervorzurufen, macht diese Anomalie umso relevanter, je kleiner die Nanostruktur wird – also genau in dem Bereich, in dem sich dieser ideale Quantentransport prinzipiell am deutlichsten manifestieren sollte.

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