مطالعه ی گذار فلز به عایق در نانو لوله گرافنی نقص دار با اعمال میدان الکتریکی : رهیافت آشوب کوانتومی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی کامل

نویسندگان

گروه فیزیک، دانشگاه صنعتی ارومیه، ارومیه، ایران

چکیده

گذار فلز به عایق در یک نانو لوله ی تک جداره گرافنی در حضور ناکاملی ها با استفاده از تئوری آشوب کوانتومی بر مبنای هامیلتونی تنگ بست مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است. نتایج به دست آمده نشان می دهند که اعمال میدان الکتریکی در امتداد محور نانو لوله نقص دار موجب گذار از فاز رسانا به عایق می شود. با استفاده تحلیل طیف انرژی و تحلیل مولتی فرکتالی، مقدار آستانه ی میدان الکتریکی برای بروز پدیده گذار تعیین شد. نتایج بیانگر آن است که نانو لوله نقص دار در غیاب میدان الکتریکی رفتار فلزی از خود نشان می دهد. با افزایش تدریجی میدان الکتریکی ، تابع توزیع ترازی از حالت ویگنری (گسترده) به تابع توزیع پواسونی (جایگزیده) تبدیل می شود طوریکه به ازای مقدار آستانه میدان الکتریکی، سیستم کاملا به صورت پوا سونی رفتار می کند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

The study of metal-insulator transition in defected graphene nanotube by applying electric field: Quantum chaos approach

نویسندگان [English]

  • Sohrab Behnia
  • Fatemeh Rahimi
Department of Physics, Urmia University of Technology, Urmia, Iran
چکیده [English]

By employing quantum chaos theory, metal-insulator transition have been investigated in a single-walled graphene nanotube which is affected by vacancies based on the tight-binding Hamiltonian. Our obtained results indicate that applying electric field along the axis of the defected graphene nanotube caused metal to insulator transition. Using spectral and multifractal analysis, the threshold value of electric field is determined. The results show that the in the absence of electric field, the defected nanotube shows metallic behavior with Wigner distribution. By increasing the value of the electrical field, level spacing distribution changes from Wigner (delocalized) to Poisson (localized) distribution. Such that for the threshold value of the electrical field, Poisson level spacing sets in.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Metal-insulator transition
  • Graphene nanotube
  • Defect
  • electric field
  • Quantum chaos theory
[1] L. Zhang, Y. Zhang, M. Khodas, T. Valla, I.A. Zaliznyak, Metal to insulator transi-tion on the N=0 Landau level in graphene, Physical review letters105 (2010) 046804.
 
[2] G. Kalon, Y.J. Shin, H. Yang, Tunable metal–insulator transitions in bilayer graphene by thermal annealing, Applied Physics Letters 98 (2011) 233108.
 
[3] S.Y. Zhou, D.A. Siegel, A.V. Fedorov, A. Lanzara, Metal to insulator transition in epitaxial graphene induced by molecular doping, Physical review letters 101 (2008) 086402.
 
[4] C. Gao, Z. Guo, J.H. Liu, X.J. Huang, The new age of carbon nanotubes: an up-dated review of functionalized carbon nanotubes in electrochemical sensors, Nanoscale 4 (2012) 1948-1963.
 
[5] H. Rafii-Tabar, Computational modelling of thermo-mechanical and transport properties of carbon nanotubes, Physics Reports 390 (2004) 235-452.
 
[6] G.D. Lee, C.Z. Wang, E. Yoon, N.M. Hwang, D.Y. Kim, K.M. Ho, Diffusion, Coalescence, and Reconstruction of Vacancy Defects in Graphene Layers, Physical review letters 95 (2005)205501.
 
[7]J. Padilha, R.G. Amorim, A.R. Rocha, A. Da Silva, A. Fazzio, Energetics and stability of vacancies in carbon nanotubes, Solid State Communications 151 (2011) 482-486.
 

[8] P.W. Anderson, Absence of Diffusion in Certain Random Lattices Physical review 109 (1958) 1492-1505.

[9] M.L. Mehta, Random Matrices, Elsevier, (2004).

 [10] E. Wigner, Characteristic vectors of bordered matrices with infinite dimensions, Annals of Mathematics 62 (1955) 548-564.

[11] O. Bohigas, M.J. Giannoni, C. Schmit, Characterization of chaotic quantum spectra and universality of level fluctuation laws, Physical review letters 52 (1984) 1-4.

[12] T.P. Kaloni, M. Modarresi, M. Tahir, M.R. Roknabadi, G. Schreckenbach, M.S. Freund, Electrically engineered band gap in two-dimensional Ge, Sn, and Pb: a first-principles and tight-binding approach, The Journal of Physical Chemistry C 119 (2015) 11896-11902.

[13] H. Santos, L. Chico, J.E. Alvarellos, A. Latgé, Defect-enhanced Rashba spin-polarized currents in carbon nanotubes, Physical Review B 96 (2017) 165401.
 
[14] J. Jung, A.H. MacDonald, Magnetoelectric coupling in zigzag graphene nanorib-bons, Physical Review B 81 (2010) 195408.

[15] A.H.C. Neto, F. Guinea, N.M. Peres, K.S. Novoselov, A.K. Geim, The electronic properties of graphene, Reviews of modern physics 81 (2009) 109.

 

[16] H. Santos, L. Chico, J.E. Alvarellos, A. Latgé, Defect-enhanced Rashba spin-polarized currents in carbon nanotubes, Physical Review B 96 (2017) 165401.
 
 [17] F. Haake, Quantum Signatures of Chaos, Springer, (2010).

[18] R.C. Hilborn, Chaos and Nonlinear Dynamics: An Introduction for Scientists and Engineers, Oxford University Press on Demand, (2000).

[19] L.J. Vasquez, A. Rodriguez, R.A. Römer, Multifractal analysis of the metal–insulator transition in the three-dimensional Anderson model. I. Symmetry relation under typical averaging, Physical Review B 78 (2008) 195106.
 
 [20] T.A. Brody, A statistical measure for the repulsion of energy levels, Lettere al Nuovo Cimento 7 (1973) 482-484.
 
[21] B.V. Chirikov, D.L. Shepelyansky, Shnirelman peak in level spacing statistics, Physical review letters 74 (1995) 518.