Modelo de transporte eletrônico em dispositivos nanoeletromecânicos

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Ciências Físicas e Matermáticas, Programa de Pós-Graduação em Física, Florianópolis, 2016.O objeto de estudo desta pesquisa foi estudar o transporte eletrônico em um dispositivo nanoeletromecânico composto por um componente oscilante (pode ser uma nanopartícula condutora, um pilar contendo no seu topo um material condutor, uma barra metálica, entre outros) que se encontra inserido entre dois eletrodos formando assim um circuito elétrico não linear. O componente oscilante é modelado como um poço de potencial que têm estados discretos e os eletrodos como sendo gases de elétrons de comprimento finito que obedecem à distribuição de Fermi-Dirac. Com esse arranjo foi possível estudar o transporte de carga devido ao acoplamento que vamos ter entre a oscilação mecânica do componente oscilante e a carga que está atravessando o circuito. A dinâmica eletrônica neste circuito foi estudada a partir do formalismo de matriz densidade para resolver a equação de Liouville-von Neumann computacionalmente. Nessa dinâmica foram analisados três casos. O primeiro deles é a situação quando temos uma diferença de potencial dependente do tempo, onde foi mostrado que a transferência de carga dá-se de maneira aproximadamente discreta, com períodos intercalados de oscilações coerentes da carga entre o poço quântico e os gases de elétrons. No segundo caso foi estudado a dinâmica de carga sem diferença de potencial mas com o componente oscilante em movimento devido a fatores externos como vibrações do ambiente transmitidas ao dispositivo ou qualquer outro dispositivo externo capaz de fazer oscilar o poço quântico. Nesse caso foi mostrado que o processo é parcialmente previsível durante os intervalos iniciais de simulação, consistindo de transferência ressonante de carga entre os eletrodos e o componente oscilante, bloqueio de transferência, etc, em um processo que ocorre a cada dois períodos distintos devido ao princípio de exclusão de Pauli. No último caso, foi estudado a dinâmica de carga elétrica tanto com movimento mecânico quanto com diferença de potencial onde mostramos que a dinâmica transiente pode ser composta de componentes ôhmicos e discretos, um composto de transferência entre estados não ressonantes e outra entre estados ressonantes.Abstract : The object of this research was to study the electronic transport in a nanomechanical electron shuttle device consisting of a oscillating component (may be a conductive nanoparticle, a pillar having at its top a conductive material, a metal bar, etc.) which is inserted between two electrodes hereby forming a non-linear electric circuit. The oscillating component is modeled as a potential well having discrete states and the electrodes as electron gases of finite length that obey the Fermi-Dirac distribution. With this arrangement was possible to study the transport of charge due to the coupling that we have between the mechanical oscillation of the oscillating component and the electrical charge that is going through the circuit. The electronic dynamics in this circuit was studied from the density matrix formalism to solve the equation of Liouville-von Neumann computationally. In this dynamic three cases were analyzed. The first situation is when we have a time-dependent potential difference, where it was shown that charge transfer occurs in a manner approximately discreet, with interspersed periods of coherent oscillations of the electric charge between the quantum well and the electrons gases. In the second case it was studied the dynamics of electric charge without potential difference but with the oscillating component movement due to external factors such as environmental vibrations transmitted to the device or any other external device capable of swinging the quantum well. In this case, it was shown that the procedure is partly predictable during the initial simulation intervals, consisting of resonant charge transfer between the electrodes and the oscillating component, transfer lock, etc, in a process that occurs every two distinct periods due to the Pauli exclusion principle. In the latter case, the electric charge dynamics was studied with mechanical movement and with a potential difference which show that the transient dynamic can be composed of discrete components and ohmic, a compound of transfer between non-resonant states and other between resonant states