Cálculo do Raio Crítico de Pontos Quânticos Cilíndricos e Esféricos

Documentos relacionados
Níveis de Impureza em um Fio Quântico Cilíndrico com Barreira de Potencial Infinito na Presença de um Campo Magnético

INTRODUÇÃO AOS MÉTODOS NUMÉRICOS

Eletromagnetismo I. Aula 9

7 Exemplos do Método Proposto

Dinâmica Estocástica. Instituto de Física, novembro de Tânia - Din Estoc

m v M Usando a conservação da energia mecânica para a primeira etapa do movimento, 2gl = 3,74m/s.

MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS MÓVEIS PARA A SIMULAÇÃO DE PROBLEMAS DE STEFAN

Conversão de Energia II

Eletromagnetismo I. Prof. Daniel Orquiza. Eletromagnetismo I. Prof. Daniel Orquiza de Carvalho

Capítulo 1 Introdução, propriedades e leis básicas dos fluidos.

Uma EDO Linear de ordem n se apresenta sob a forma: a n (x) y (n) + a n 1 (x) y (n 1) + + a 2 (x) y 00 + a 1 (x) y 0 + a 0 (x) y = b (x) ; (6.

PGF MECÂNICA QUÂNTICA I (2010) Resolução Comentada da Lista de Problemas 5 Eduardo T. D. Matsushita

TRABALHO Nº 5 ANÉIS DE NEWTON

MESTRADO INTEGRADO EM ENG. INFORMÁTICA E COMPUTAÇÃO 2016/2017

UNIVERSIDADE CATÓLICA DE GOIÁS

5 Resultados Experimentais

Segunda lista de exercícios

Álgebra Linear I - Aula 1. Roteiro

PROVA DE FÍSICA II. Considere g = 10,0 m/s 2. O menor e o maior ângulo de lançamento que permitirão ao projétil atingir o alvo são, respectivamente,

Questão 37. Questão 39. Questão 38. Questão 40. alternativa D. alternativa C. alternativa A. a) 20N. d) 5N. b) 15N. e) 2,5N. c) 10N.

Valter B. Dantas. Geometria das massas

Dispersão de um pacote de ondas livres

Escoamento Cruzado sobre Cilindros e Tubos Circulares

7. OSCILADOR HARMÓNICO COMPOSTO

ESCOAMENTO VISCOSO INCOMPRESSÍVEL

III Introdução ao estudo do fluxo de carga

II Matrizes de rede e formulação do problema de fluxo de carga

Para um sistema elétrico, com NB barras, as equações básicas do fluxo de carga para

Física Geral I. 1º semestre /05. Indique na folha de teste o tipo de prova que está a realizar: A, B ou C

ANÁLISE DO LUGAR DAS RAÍZES

Força impulsiva. p f p i. θ f. θ i

Geometria Analítica e Álgebra Linear

CCI-22 CCI-22. 7) Integração Numérica. Matemática Computacional. Definição Fórmulas de Newton-Cotes. Definição Fórmulas de Newton-Cotes

(A) 331 J (B) 764 J. Resposta: 7. As equações de evolução de dois sistemas dinâmicos são:

Física II Ondas, Fluidos e Termodinâmica USP Prof. Antônio Roque Aula 9. Oscilações Forçadas e Ressonância (continuação)

Astrophysical Quantities by Allen, C-W, the Athlone Press, Univ. of London Prof. Sing IAG USP. ε m ke sec

Matemática D Extensivo V. 5

Gabarito - FÍSICA - Grupos H e I

Movimento oscilatório forçado

Representação De Modelos de Sistemas Dinâmicos:

TEORIA ELETRÔNICA DA MAGNETIZAÇÃO

Separação de Isótopos por Ressonância

3. Considere as duas diferentes situações em que uma mala está suspensa por dois dinamómetros como representado na Fig.1.

Física IV - FAP2204 Escola Politécnica GABARITO DA P3 8 de dezembro de 2009

Matemática Computacional. Carlos Alberto Alonso Sanches Juliana de Melo Bezerra

Experiência de Difracção e Interferências de ondas electromagnéticas

TE220 DINÂMICA DE FENÔMENOS ONDULATÓRIOS

Campo magnético na presença de materiais magnéticos (conclusão)

( ) ( ) Gabarito 1 a Prova de Mecânica dos Fluidos II PME /04/2012 Nome: No. USP. x y x. y y. 1 ρ 2

ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

Física II Ondas, Fluidos e Termodinâmica USP Prof. Antônio Roque Aula 8

Escola Politécnica FAP GABARITO DA P3 25 de novembro de 2008

4 Modelo Proposto para Análise de Barras de Controle Local de Tensão

CAPÍTULO 7. Seja um corpo rígido C, de massa m e um elemento de massa dm num ponto qualquer deste corpo. v P

4.7. Semelhança Mecânica Aplicada às Bombas

Limites para a integração de usinas ao sistema de distribuição através de uma única linha

Quantização. Quantização da energia (Planck, 1900) hc h. Efeito fotoelétrico (Einstein, 1905) Espectros atômicos (linhas discretas) v 2

São ondas associadas com elétrons, prótons e outras partículas fundamentais.

A equação de Henri-Michaelis-Menten

Problemas de Duas Partículas

Introdução aos Sistemas de Energia Elétrica

Um professor de Matemática escreve no quadro os n primeiros termos de uma progressão aritmética: 50, 46, 42,..., a n

Semicondutores e Nanoestruturas

Física Arquitectura Paisagística LEI DE HOOKE

Física IV Escola Politécnica GABARITO DA REC 14 de fevereiro de 2019

Cap 16 (8 a edição) Ondas Sonoras I

ELETROTÉCNICA (ENE078)

Equação de Schrödinger em 3D

Problema: incidência oblíqua de onda EM na interface entre dois meios - polarização paralela e perpendicular

Comecemos por recordar que neste jogo há um tabuleiro

Um método exato para multiplicadores lagrangeano/surrogate. Marcelo G. Narciso. Luiz A. N. Lorena

Laboratório de Física 2

Força Magnética ( ) Gabarito: Página 1. F = -k x F = -k (C 0) F = -5 C. II. F tem o mesmo sentido do vetor campo

A eq. de Schrödinger em coordenadas esféricas

Cirlei Xavier Bacharel e Mestre em Física pela Universidade Federal da Bahia

TE220 DINÂMICA DE FENÔMENOS ONDULATÓRIOS

MODELAGEM MATEMÁTICA: MOVIMENTO COM RESISTÊNCIA DO AR PROPORCIONAL À VELOCIDADE

H α H β H γ H δ H ε H ξ H 6562,2 Å 4861,3 Å 4340,5 Å 4101,7 Å 3970,1 3889,1

3 Compensador Estático de Reativo

CONTROLE ON-LINE POR ATRIBUTOS COM ERROS DE CLASSIFICAÇÃO: UMA ABORDAGEM ECONÔMICA COM CLASSIFICAÇÕES REPETIDAS

A 3,0. Em conclusão uma solução cinematicamente admissível é:

Aplicações de Equações Diferenciais de Segunda Ordem

Cap. 7 - Corrente elétrica, Campo elétrico e potencial elétrico

Escala na Biologia. Na natureza, há uma grande variação dos tamanhos dos seres vivos.

Aplicações dos Postulados da Mecânica Quântica Para Simples Casos: Sistema de Spin 1/2 e de Dois Níveis

Cinética Michaeliana [E] [A] é difícil de determinar em muitas situações, pelo que se. ) pode ser ajustada a uma. . É o valor máximo de

OBMEP ª FASE - Soluções Nível 3

Influência do Strain e da Interação Spin-Órbita em um Ponto Quântico Cilíndrico

Instrumentação e Medidas

x = Acos (Equação da posição) v = Asen (Equação da velocidade) a = Acos (Equação da aceleração)

SOLUÇÃO: sendo T 0 a temperatura inicial, 2P 0 a pressão inicial e AH/2 o volume inicial do ar no tubo. Manipulando estas equações obtemos

Experiência 02: Circuito RC Representação Fasorial

O poço de potencial finito

Capítulo 3. Métodos Numéricos Iterativos

Oscilações e Ondas Oscilações forçadas

Primeira Prova 2º. semestre de /09/2017 ATENÇÃO LEIA ANTES DE FAZER A PROVA

2 Propagação de ondas elásticas em cilindros

CONCURSO PÚBLICO EDITAL Nº 03 / 2016

Propagação do som em misturas binárias de gases rarefeitos via solução numérica do modelo de McCormack para a equação não-estacionária de Boltzmann

Unidade II 3. Ondas mecânicas e

Transcrição:

ERMAC 00: I ENCONTRO REGIONAL DE MATEMÁTICA APLICADA E COMPUTACIONAL - 3 de Novebro de 00, São João del-rei, MG; pg 94-99 94 Cálculo do Raio Crítico de Pontos Quânticos Cilíndricos e Esféricos Paulo César M. Machado, Sérgio A. de Figueiredo, Mara Grace S. Figueiredo e Leonardo da C. Brito Escola de Engenharia Elétrica e de Coputação, EEEC, UFG CaixaPostal: 3, 7400-970, Goiânia, GO E-ail: pcachado@gail.co, sergio@eee.ufg.br, ara@eee.ufg.br, brito@eee.ufg.br Resuo: Neste trabalho apresentaos as soluções analíticas para o cálculo do raio de pontos quânticos cilíndricos e esféricos e que o elétron possui energia nula, isto é, o elétron está nu estado de transição entre u estado ligado à ipureza central (energia negativa) e u estado desligado da ipureza (energia positiva). Apresentaos tabé o étodo nuérico utilizado para resolver as equações transcendentais obtidas, envolvendo a função de Bessel e a segunda solução da equação hipergeoétrica confluente e suas derivadas.. Introdução Pontos quânticos (PQ) são estruturas seicondutoras quase-zero-diensionais onde os elétrons são confinados nas três diensões espaciais. Nos últios anos os PQ tê atraído uita atenção devido, dentre outras, às suas potenciais aplicações e circuitos integrados nano-eletrônicos ua vez que os níveis de integração requeridos não estão ao alcance da tecnologia atual de transistores [4]. Os PQ pode apresentar diferentes foras geoétricas: esféricos, piraidais, cilíndricos, etc [3,6]. Denoinaos disco quântico (DQ) ao ponto quântico cilíndrico e que a altura do cilindro é uito enor que o diâetro da face circular. U dos interesses e PQ é o cálculo dos níveis de energia de ipurezas doadoras hidrogenóides localizadas e tais estruturas. O odelo ais couente utilizado nesse estudo considera que os elétrons não pode escapar para o exterior do ponto, o que corresponde ao odelo de barreiras de potencial de alturas infinitas. A principal vantage deste tipo de aproxiação é o fato de siplificar os cálculos e dar ua visão qualitativa do sistea. Dependendo do valor do raio do PQ, o elétron pode ter energia negativa, representando estados e que o elétron está ligado à ipureza doadora ou energia positiva, representando estados e que o elétron está desligado da ipureza doadora, as ainda está confinado no PQ. Neste trabalho utilizaos u odelo ais realista, que considera a barreira de potencial de altura finita, e calculaos o valor do raio do disco quântico (DQ) e do ponto quântico esférico (PQE) correspondente à energia nula do elétron, que chaareos de raio crítico. Raio crítico é, portanto, o valor do raio do PQ para o qual o elétron se desliga da ipureza. A principal razão de se calcular o raio crítico de pontos quânticos é liitar a região da procura de raízes das equações transcendentais que fornece os níveis de energia do elétron ligado à ipureza: para raios do PQ aiores que o raio crítico a energia do elétron é negativa, representando estados ligados, e existe ua única raiz real; para raios do PQ enores que o raio crítico a energia do elétron é positiva, representando estados desligados, e só existe raízes coplexas.. Metodologia A equação de Schrödinger de u elétron ligado à ua ipureza doadora hidrogenóide central nu PQ, sujeito a u potencial de confinaento V( é escrita na fora e + V ( ψ = Eψ ε r 0 ()

95. Disco Quântico (DQ) Prieiro consideraos a ipureza localizada no centro de u DQ circular de raio R. Consideraos o oviento do elétron apenas no plano (r,θ) e que o potencial na direção z, perpendicular ao plano (r,θ), seja ais intenso que nas outras duas direções, de tal odo que desprezaos seus efeitos sobre a dinâica do oviento eletrônico. E coordenadas cilíndricas e unidades adiensionais, onde os coprientos são escritos e unidades de raio de Bohr efetivo, a = ( ε ) ( ) e as energias e unidades de Rydberg 0 0 0 e efetivo, Ry = ( e ) ( a ), escreveos a eq. () da seguinte fora: ψ ψ + + r r r r ψ + V ( ψ = Eψ θ () A equação () é separável e sendo assi, escreveos, iθ ψ ( r, θ ) = F( e,, ±, ±,... (3) Substituindo-se esta expressão na equação (), obteos as seguintes equações diferenciais ordinárias satisfeitas pela função F(, dentro do DQ (r < R), confore a eq. (4) e fora do DQ (r > R), confore a eq. (5): ( r + Er ) F( ) r F ( + rf ( + r (4) δ r F ( + δ rf ( + [r ( V E) r δ ] F( (5) 0 onde F ( e F (r ) denota as derivadas de prieira e segunda orde de F ( e o parâetro δ é dado pela relação δ = /. A equação (4) dentro do DQ para E fica: ( r ) F( ) r F ( + rf ( + r (6) Coparando co a equação de Bessel odificada [] γ ( s a + γ β x ) Y ( ) x Y ( + ( s) xy ( + γ x (7) Para x r e Y( F(, obteos: s, γ = ½, β = e a =. As soluções da eq. (7) são []: s γ Y ( = Ax J ( β x ) (8) a onde J a são as soluções da equação de Bessel de índice a. Então as soluções da eq. (6) são: E, portanto, na região dentro do DQ: / F( = AJ ( r ) (9) iθ ψ ( r, θ ) = AJ ( r ) e, r R (0) /

96 Resolvendo a eq. (5) fora do DQ para E : δ r F ( + δ rf ( + [r V r δ ] F( () 0 Pode-se, através da udança de coordenadas ξ = r /( λδ ), colocar a eq. () na fora, F ( ξ ) ( ) λ F ξ + + F () ξ 4 ξ ξ onde o parâetro λ é u núero real e positivo dado pela relação λ = /( δ V ). A derivada 0 prieira da eq. () é eliinada fazendo a transforação F ( ξ ) = φ( ξ ) ξ, obtendo a equação ( ) λ 4 φ ξ + + φ ( ξ ) ξ 4 ξ (3) que é a conhecida equação de Whittaker [], co solução e função da equação hipergeoétrica confluente. Coo condição de contorno, a solução da eq. (3) deve ir a zero quando r for para infinito. Esta restrição não é satisfeita pela prieira solução da equação hipergeoétrica confluente, M ( a,. Deveos então usar a segunda solução, U ( a, []: π M ( a, M ( a b +, x U ( a, = senπb ( a b)!( b )! ( a)!( b)! b (4) onde M ( a, é definida coo []: ax a( a + ) x M ( a, = + + + (5) b.! b( b + ).! co b 0,,,. Esta função converge para todo x finito, te ua singularidade no infinito ( x ) e se torna u polinôio se o parâetro a é zero ou u inteiro negativo. A solução da eq. (3) é, portanto, φ( ξ ) = Be ξ ξ U ( + λ, + ; ξ ) (6) onde B é ua constante de noralização. A solução fora do DQ é então dada por: r /( λδ ) r r iθ ψ ( r, θ ) = Be U + λ, + ; e r R (7) λδ λδ Aplicando-se as condições de continuidade da função de onda, ψ ( r = R, θ ) = ψ ( r = R, θ ), e conservação da corrente na interface do DQ, ψ ( r = R, θ ) = δψ ( r = R, θ ), a equação transcendental resultante é: U λ U R ( R / ) / ( R ) / J J λδ R (8)

97 onde U e J denota, respectivaente, a derivada prieira das funções U e J co relação a U = U + λ, + ; r /( λδ ). x e ( ) Para u dado núero quântico a solução da equação transcendental (8) fornece o raio do DQ para qual é nula a energia do elétron ligado à ipureza doadora.. Ponto Quântico Esférico (PQE) E coordenadas esféricas e unidades adiensionais a eq. () é escrita da seguinte fora, r r r ψ + r ψ senθ + senθ θ θ ψ + V ( ψ = Eψ sen θ ϕ (9) Fazendo a separação de variáveis da fora ψ ( r, θ, ϕ) = F( Z( θ ) e na eq. (9) tê-se, respectivaente, dentro do PQE (r < R) e na região externa ao PQE (r > R), as eqs. (0) e (): r F ( + rf ( + [r + r E L( L + )] F( (0) ( 0 δ r F + δ rf ( + [r r ( V E) δ L( L + )] F( () Estas equações são resolvidas de aneira análoga ao DQ, obtendo-se a seguinte equação transcendental: U λ U R ( R / ) / ( R ) / J L+ J L+ ilϕ λδ λ L R R onde U e J denota, respectivaente, a derivada prieira das funções U e J co relação a R x e U = U L + λ, L + ;. λδ Para u dado núero quântico L a solução da equação transcendental () fornece o raio do PQE para qual é nula a energia do elétron ligado à ipureza doadora. 3. Resultados Neste trabalho consideraos ua ipureza doadora hidrogenóide localizada no centro de u PQ de raio R, coposto de arseneto de gálio (GaAs) e envolto por arseneto de gálio-aluínio (Al χ Ga -χ As), onde χ é a concentração de aluínio na liga (0 χ ). A função potencial de confinaento V( assue o valor nulo dentro do PQ (r < R) e valor V 0 = 4 ev fora do PQ (r > R) para ua concentração de aluínio χ,3 [5]. A assa efetiva eletrônica tabé assue diferentes valores dentro e fora do PQ, sendo que no GaAs (r < R), 067e e no Al 0,3 Ga 0,7 As (r > R),, 099e, onde e é a assa do elétron livre [5]. Para o GaAs o raio de Bohr efetivo é a0 = 98, 69 Å e o Rydberg efetivo é R y = 5,83 ev. 3. Disco Quântico (DQ) As Figuras (a) e (b) ostra o coportaento da eq. (8) e função do raio do DQ para = 0 (ª sub-banda de energia) e = (ª sub-banda de energia). As descontinuidades que / aparece nessas figuras corresponde aos zeros da função de Bessel, J ( R ), que se encontra tabelados na literatura []. ()

98 (a) (b) Figura : Raios críticos (E ) para discos quânticos para (a) e (b) =. A Tabela ostra os quatro prieiros zeros das seis prieiras funções de Bessel de índices inteiros. Raízes J 0 ( J ( J ( J 3 ( J 4 ( J 5 ( ª,4048 3,837 5,356 6,380 7,5883 8,775 ª 5,50 7,056 8,47 9,760,0647,3386 3ª 8,6537 0,735,698 3,05 4,375 5,700 4ª,795 3,337 4,7960 6,35 7,660 8,980 Tabela : Zeros da Função de Bessel índices inteiros. Pode-se ver nas Figs. (a) e (b) que o zero da eq. (8) é u valor enor que o valor correspondente à descontinuidade, de aneira que podeos toar coo intervalo que conté este zero o intervalo [ε, RB ε], e que ε é u valor uito pequeno e RB é o zero da função de Bessel. A introdução do valor ε no intervalo se justifica, pois no liite inferior do intervalo não existe DQ de raio nulo e no liite superior, no valor RB correspondente à descontinuidade, a eq. (8) apresenta divisão por zero. Utilizaos neste trabalho ε,0. / Para tiraos da Tab. que J 0 (,4048). Então RB =, 4048 e, portanto, RB = 7 Å, que é o valor da descontinuidade na Fig. (a). Para = tiraos da Tab. que / J (5,356). Então RB = 5, 356 e, portanto, RB = 35 Å, que é o valor da descontinuidade na Fig. (b). Tendo estabelecido os intervalos que contê as raízes para e =, as raízes são calculadas utilizando-se o Método da Bissecção [7], que apesar de apresentar ua convergência linear, te a virtude de sepre convergir para a raiz existente e u intervalo pré-estabelecido. Os valores obtidos para o raio crítico do DQ fora R C = 5 Å para e R C = 306 Å para =. 3. Ponto Quântico Esférico (PQE) As Figuras (a) e (b) ostra o coportaento da eq. () e função do raio do PQE para L (ª sub-banda de energia) e L = (ª sub-banda de energia). As descontinuidades que / aparece nas figuras corresponde aos zeros da função de Bessel, J L+ ( R ), dados na Tab.. Utilizando o eso procediento anterior, para L tiraos da Tab. que / J (3,837). Então RB = 3, 837 e, portanto, RB = 8 Å, que é o valor da descontinuidade na Fig. (a). Para L = tiraos da Tab. que J (6,380) 0. Então / 3 = RB = 6,380 e, portanto, RB = 50 Å, que é o valor da descontinuidade na Fig. (b). Neste caso o zero da eq. () é u valor aior que o valor correspondente à descontinuidade,

99 as se encontra próxio a esta. O intervalo adotado para o cálculo do zero da eq. () foi [RB + ε, RB + 00]. Tendo estabelecido os intervalos que contê as raízes para L e L =, utilizaos novaente o Método da Bissecção e obtiveos para o raio crítico do PQE os valores R C = 99 Å para L e R C = 5 Å para L =. (a) (b) Figura : Raios críticos (E ) para pontos quânticos esféricos para (a) L e (b) L =. 4. Conclusões Neste trabalho apresentaos a solução analítica do cálculo do raio crítico de discos quânticos e de pontos quânticos esféricos. Os cálculos fora para estruturas de arseneto de gálio (GaAs) envolto e arseneto de gálio-aluínio (AlGaAs). As equações transcendentais encontradas fora resolvidas por étodos nuéricos e fora calculados os raios críticos para a ª e a ª sub-banda de energia dos discos quânticos ( e = ) e dos pontos quânticos esféricos (L e L = ). Agradecientos Agradeceos à Fundação de Apoio a Pesquisa, FUNAPE UFG, pelo suporte financeiro. Referências [] M. Abraowitz and I. A. Stegun, "Handbook of Matheatical Functions", Dover, New York, 968. [] G. Arfken, "Matheatical Methods for Physicists", Acadeic Press, New York, 97. [3] R. S. D. Bella and K. Navaneethakrishnan, Donor binding energies and spin-orbit coupling in a spherical quantu dot, Solid State Coun., vol. 30, pp. 773-776, (004). [4] J. C. Costa, J. Hoekstra, M. J. Goossens, C. J. M. Verhoeven, and A. H. M. V. Roerund, Considerations about nanoelectronic GSI processors, J. Analog Int. Circ. and Signal Proc., vol. 4, n., pp. 59-7, (000). [5] P. Harrison, QuantuWells, Wires and Dots Theoretical and Coputational Physics, Wiley, Chichester, 000. [6] F. A. P. Osório, A. B. A. Marques, P. C. M. Machado e A. N. Borges, The effects of agnetic field on the energy levels of shallow donor ipurities in GaAs-Al x Ga -x As quantu dots, Microelectronics Journal, vol. 36, pp. 44-46, (005). [7] W. H. Press, S. A. Teukolsky, W. T. Vetterling e B. P. Flannery, "Nuerical Recipes in Fortran", Cabridge University Press, Cabridge, 99.