بررسی ولتاژ دمایی و اتلاف گرما در سامانة نقطة کوآنتومی مثلثی در حضور برهم‌کنش کولمبی

احمدی فولادی, احمد; واحدی, جواد

doi:10.22055/jrmbs.2022.17923

بررسی ولتاژ دمایی و اتلاف گرما در سامانة نقطة کوآنتومی مثلثی در حضور برهم‌کنش کولمبی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی کامل

نویسندگان

احمد احمدی فولادی ¹

جواد واحدی ¹^{، 2}

¹ گروه فیزیک، واحد ساری، دانشگاه آزاد اسلامی، ساری، ایران

² دانشکده ریاضی و فیزیک، دانشگاه فنی براونشویگ، براونشویگ، آلمان

10.22055/jrmbs.2022.17923

چکیده

در این مقاله پژوهشی با استفاده از روش تابع گرین در مدل اندرسون، ویژگی‌های ترموالکتریک نقطة کوآنتومی مثلثی که به الکترودهای فلزی متصل است را به‌صورت عددی بررسی می‌کنیم. با استفاده از روش معادلة حرکت و در حضور برهم‌کنش کولمبی در رژیم انسداد کولمبی، ولتاژ و جریان دمایی و اتلاف گرما محاسبه می‌شوند. نتایج نشان می‌دهند که ولتاژ و جریان دمایی رفتاری غیرخطی دارند که اندازه و علامت آنها را می‌توان توسط انرژی جایگاهی و قدرت اتصال نقاط کوآنتومی به یکدیگر کنترل نمود. همچنین جریان گرمایی نسبت به تغییر علامت ولتاژ بایاس و به‌ازای تمامی مقادیر انرژی‌های جایگاهی نقاط کوآنتومی، تابعی غیرخطی و نامتقارن است. محاسبات نشان می‌دهند که برای تمامی مقادیر انرژی جایگاهی، جریان گرمایی می‌تواند مثبت یا منفی باشد که نشان می‌دهد جریان گرمایی به‌صورت غیرمعمول به‌ازای ولتاژ غیرصفر برابر با صفر می‌شود. این نتایج می‌توانند در تعیین کارایی ادوات الکترونیکی نانومقیاس برای کنترل اتلاف گرما مفید باشد.

کلیدواژه‌ها

نقطة کوآنتومی مثلثی

روش تابع گرین

روش معادله حرکت

ولتاژ دمایی

موضوعات

ماده چگال

عنوان مقاله English

Investigation of the thermovoltage and heat dissipation in triangle quanum dot system in the presence of coulomb interaction

نویسندگان English

Ahmad AhmadiFouladi ¹

Javad Vahedi ¹ ²

¹ Department of Physics, Sari Branch, Islamic Azad University, Sari, Iran

² Institut für Mathematische Physik, Technisch Universität Braunschweig, Braunschweig, Germany

چکیده English

In this paper, we numerically investigate the thermoelectric properties of a triangle quantum dot connected to metallic electrodes using Green's function method in the Anderson model. Using the equation of motion method in the presence of Coulomb interaction in the Coulomb-blockade regime, the thermovoltage, thermocurrent and heat dissipation are calculated. Results show that the thermovoltage and thermocurrent have nonlinear behavior and their magnitude and sign of them can be controlled with the site energy and coupling strength of quantum dots. Also, the heat current is nonlinear and has an asymmetrical function with respect to the sign of bias voltage for all of the site energies of quantum dots. Results show that the heat current can be positive or negative for all of the site energies and it shows that heat current has a nontrivial zero for the nonzero voltages. These results can be useful to determine the performance of the nanoscale electronic devices to control heat dissipations.

کلیدواژه‌ها English

Triangle Quantum dot

Green's function method

Equation of motion method

Thermovoltage

[1] V. Talbo, J. Saint-Martin, S. Retailleau, P. Dollfus, Non-linear effects and thermoelectric efficiency of quantum dot-based single-electron transistors, Scientific Reports 7 (2017) 14783. https://doi.org/10.1038/s41598-017-14009-4

[2] J. Urban, Prospects for thermoelectricity in quantum dot hybrid arrays, Nature Nanotech 10 (2015) 997–1001. https://doi.org/10.1038/nnano.2015.289

[3] M. Josefsson, A. Svilans, A.M. Burke, et al. A quantum-dot heat engine operating close to the thermodynamic efficiency limits, Nature Nanotech 13 (2018) 920–924. https://doi.org/10.1038/s41565-018-0200-5

[4] F. Chi, Z.G. Fu, J. Liu, K.M. Li, Z. Wang, P. Zhang, Thermoelectric effect in a correlated quantum dot side-coupled to majorana bound states, Nanoscale Research Letters 15 (2020) 79. https://doi.org/10.1186/s11671-020-03307-y

[5] F.D. Ribetto, R.A. Bustos-Maru´n, H.L. Calvo, Role of coherence in quantum-dot-based nanomachines within the coulomb blockade regime, Physical Review B 103 (2021) 155435. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.103.155435

[6] K. Jong, S.M. Ri, C.W. Ri, Parametric study for optimal performance of coulomb-coupled quantum dots, Journal of Physics: Condensed Matter 33 (2021) 375302. https://doi.org/10.1088/1361-648X/ac0f2a

[7] S. Banerjee, A Singha, A non-local cryogenic thermometer based on coulomb-coupled systems, Journal of Applied Physics 129 (2021) 114901. https://doi.org/10.1063/5.0032787

[8] S. Dorsch, A. Svilans, M. Josefsson, B. Goldozian, M. Kumar, C. Thelander, A. Wacker, A. Burke, Heat driven transport in serial double quantum dot devices, Nano Letters 21 (2021) 988–994 . https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c04017

[9] N.A. Zimbovskaya, Large enhancement of thermoelectric effects in multiple quantum dots in a serial configuration due to coulomb interactions, Journal of Physics: Condensed Matter 34 (2022) 255302. https://doi.org/10.1088/1361-648X/ac640c

[10] N.Taniguchi, Quantum control of nonlinear thermoelectricity at the nanoscale, Physical Review B 101 (2020) 115404. https://doi:10.1103/physrevb.101.115404

[11] Z. Sartipi, A. Hayati, J. Vahedi, Thermoelectric efficiency in three-terminal graphene nano-junctions, The Journal of Chemical Physics 149 (2018) 114103. https://doi.org/10.1063/1.5044660

[12] P.A. Erdman, J.T. Peltonen, B. Bhandari, B. Dutta, H. Courtois, R. Fazio, F. Taddei, J.P. Pekola, Nonlinear thermovoltage in a single-electron transistor, Physical Review B 99 (2019) 165405. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.99.165405

[13] A.A.M. Staring, L.W. Molenkamp, B.W. Alphenaar, H. van Houten, O.J.A. Buyk, M.A.A. Mabesoone, C.W.J. Beenakker, C.T. Foxon, Coulomb-Blockade Oscillations in the Thermopower of a Quantum Dot. Europhysics Letters 22 (1993) 57.

https://doi.org/10.1209/0295-5075/22/1/011

[14] S. Fahlvik Svensson, E.A. Hoffmann, N. Nakpathomkun, P.M. Wu, H.Q. Xu, H.A. Nilsson, D. Sanchez, V.Kashcheyevs, H. Linke, Nonlinear thermovoltage and thermocurrent in quantum dots, New Journal of Physics 15 (2013) 105011. https://doi.org/10.1088/1367-630/15/10/105011

[15] P. Reddy, S.Y. Jang, R.A. Segalman, A. Majumdar, Thermoelectricity in Molecular Junctions, Science, 315 (2007) 1568. doi: 10.1126/science.1137149

[16] M.A. Sierra, D. Sanchez, Strongly nonlinear thermovoltage and heat dissipation in interacting quantum dots, Physical Review B 90 (2014) 115313. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.90.115313

[17] N.A. Zimbovskaya, Charge and heat current rectification by a double-dot system within the coulomb blockade regime, Journal of Physics: Condensed Matter 32 (2020) 325302 .https://doi.org/10.1088/1361-648X/ab83e9

[18] Y. Meir, N.S. Wingreen, Landauer formula for the current through an interacting electron region, Physical Review Letters 68 (1992) 2512. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.68.2512

[19] Y. Meir, N.S. Wingreen, P.A. Lee, Transport through a strongly interacting electron system: Theory of periodic conductance oscillations, Physical Review Letters 66 (1991) 3048. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.66.3048

[20] C.W.J. Beenakker, Theory of Coulomb-blockade oscillations in the conductance of a quantum dot, Physical Review B 44 (1991) 1646. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.44.1646

[21] W. Lee, K. Kim, W. Jeong, L.A. Zotti, F. Pauly, J.C. Cuevas , P. Reddy, Heat dissipation in atomic-scale junctions, Nature 498 (2013) 209–212. https://doi.org/10.1038/nature12183

[22] L.A. Zotti, M. Bürkle, F. Pauly, W. Lee, K. Kim, W. Jeong, Y. Asai, P. Reddy, J.C. Cuevas, Heat dissipation and its relation to thermopower in single-molecule junctions, New Journal of Physics 16 (2014) 015004. https://doi.org/10.1088/1367-2630/16/1/015004