Quantum hydrodynamic models for semiconductors with and without collisions

In dieser Arbeit werden Quantum-Hydrodynamische (QHD) Modelle betrachtet, die ihren Einsatz besonders in der Modellierung von Halbleiterbauteilen finden. Das QHD Modell besteht aus den Erhaltungsgleichungen für die Teilchendichte, das Momentum und die Energiedichte, inklusive der Quanten-Korrekturen durch das Bohmsche Potential. Zu Beginn wird eine Übersicht über die bekannten Ergebnisse der QHD Modelle unter Vernachlässigung von Kollisionseffekten gegeben, die aus ein­em Schrödinger-System für den gemischten-Zustand oder aus der Wigner-Glei­chung hergeleitet werden können. Nach der Reformulierung der eindimensionalen QHD Gleichungen mit linearem Potential als stationäre Schrö­din­ger-Gleichung werden die semianalytischen Fassungen der QHD Gleichungen für die Gleichspannungs-Kurve betrachtet. Weiterhin werden die viskosen Stabilisierungen des QHD Modells be­rück­sich­tigt, sowie die von Gardner vorgeschlagene numerische Viskosität für das {sf upwind} Finite-Differenzen Schema berechnet. Im Weiteren wird das viskose QHD Modell aus der Wigner-Glei­chung mit Fokker-Planck Kollisions-Ope­ra­tor hergeleitet. Dieses Modell enthält die physikalische Viskosität, die durch den Kollision-Operator eingeführt wird. Die Existenz der Lösungen (mit strikt positiver Teilchendichte) für das isotherme, stationäre, eindimensionale, viskose Modell für allgemeine Daten und nichthomogene Randbedingungen wird gezeigt. Die dafür notwendigen Abschätzungen hängen von der Viskosität ab und erlauben daher den Grenzübergang zum nicht-viskosen Fall nicht. Numerische Simulationen der Resonanz-Tunneldiode modelliert mit dem nichtisothermen, stationären, eindimensionalen, viskosen QHD Modell zeigen den Einfluss der Viskosität auf die Lösung. Unter Verwendung des von Degond und Ringhofer entwickelten Quanten-Entropie-Minimierungs-Verfahren werden die allgemeinen QHD-Gleichungen aus der Wigner-Boltzmann-Gleichung mit dem BGK-Kollisions-Operator hergeleitet. Die Herleitung basiert auf der vorsichtige Entwicklung des Quanten-Max­well­ians in Potenzen der skalierten Plankschen Konstante. Das so erhaltene Modell enthält auch vertex-Terme und dispersive Terme für die Ge­schwin­dig­keit. Dadurch bleibt die Gleichspannungs-Kurve für die Re­so­nanz-Tunnel­diode unter Verwendung des allgemeinen QHD Modells in einer Dimension numerisch erhalten. Die Ergebnisse zeigen, dass der dispersive Ge­schwin­dig­keits-Term die Lösung des Systems stabilisiert.

Finite-time synchronization of tunnel-diode-based chaotic oscillators

This paper addresses the problem of finite-time synchronization of tunnel diode based chaotic oscillators. After a brief investigation of its chaotic dynamics, we propose an active adaptive feedback coupling which accomplishes the synchronization of tunnel-diode-based chaotic systems with and without the presence of delay(s), basing ourselves on Lyapunov and on Krasovskii-Lyapunov stability theories. This feedback coupling could be applied to many other chaotic systems. A finite horizon can be arbitrarily established by ensuring that chaos synchronization is achieved at a pre-established time. An advantage of the proposed feedback coupling is that it is simple and easy to implement. Both mathematical investigations and numerical simulations followed by PSPICE experiment are presented to show the feasibility of the proposed method.

Tunnel diode circuits coupled into transmission lines.

Mode of access: Internet.

Tunnel diode circuits based on lumped constant circuitry /

"This work was supported in part by the Office of Naval Research under Contract No. Nonr-1834(15)"

Tunnel diode circuit investigation.

At head of title: Final report, Project TUN.

Components and circuits for tunneling diode based high frequency sources

Terahertz (THz) technology has been generating a lot of interest because of the potential applications for systems working in this frequency range. However, to fully achieve this potential, effective and efficient ways of generating controlled signals in the terahertz range are required. Devices that exhibit negative differential resistance (NDR) in a region of their current-voltage (I-V ) characteristics have been used in circuits for the generation of radio frequency signals. Of all of these NDR devices, resonant tunneling diode (RTD) oscillators, with their ability to oscillate in the THz range are considered as one of the most promising solid-state sources for terahertz signal generation at room temperature. There are however limitations and challenges with these devices, from inherent low output power usually in the range of micro-watts (uW) for RTD oscillators when milli-watts (mW) are desired. At device level, parasitic oscillations caused by the biasing line inductance when the device is biased in the NDR region prevent accurate device characterisation, which in turn prevents device modelling for computer simulations. This thesis describes work on I-V characterisation of tunnel diode (TD) and RTD (fabricated by Dr. Jue Wang) devices, and the radio frequency (RF) characterisation and small signal modelling of RTDs. The thesis also describes the design and measurement of hybrid TD oscillators for higher output power and the design and measurement of a planar Yagi antenna (fabricated by Khalid Alharbi) for THz applications. To enable oscillation free current-voltage characterisation of tunnel diodes, a commonly employed method is the use of a suitable resistor connected across the device to make the total differential resistance in the NDR region positive. However, this approach is not without problems as the value of the resistor has to satisfy certain conditions or else bias oscillations would still be present in the NDR region of the measured I-V characteristics. This method is difficult to use for RTDs which are fabricated on wafer due to the discrepancies in designed and actual resistance values of fabricated resistors using thin film technology. In this work, using pulsed DC rather than static DC measurements during device characterisation were shown to give accurate characteristics in the NDR region without the need for a stabilisation resistor. This approach allows for direct oscillation free characterisation for devices. Experimental results show that the I-V characterisation of tunnel diodes and RTD devices free of bias oscillations in the NDR region can be made. In this work, a new power-combining topology to address the limitations of low output power of TD and RTD oscillators is presented. The design employs the use of two oscillators biased separately, but with the combined output power from both collected at a single load. Compared to previous approaches, this method keeps the frequency of oscillation of the combined oscillators the same as for one of the oscillators. Experimental results with a hybrid circuit using two tunnel diode oscillators compared with a single oscillator design with similar values shows that the coupled oscillators produce double the output RF power of the single oscillator. This topology can be scaled for higher (up to terahertz) frequencies in the future by using RTD oscillators. Finally, a broadband Yagi antenna suitable for wireless communication at terahertz frequencies is presented in this thesis. The return loss of the antenna showed that the bandwidth is larger than the measured range (140-220 GHz). A new method was used to characterise the radiation pattern of the antenna in the E-plane. This was carried out on-wafer and the measured radiation pattern showed good agreement with the simulated pattern. In summary, this work makes important contributions to the accurate characterisation and modelling of TDs and RTDs, circuit-based techniques for power combining of high frequency TD or RTD oscillators, and to antennas suitable for on chip integration with high frequency oscillators.

Frequency measurements of CD3OH and (CH3OH)-C-13 optically pumped far-infrared laser lines

We report the frequency measurements of 18 optically pumped far-infrared (FIR) laser lines generated from CD3OH and (CH3OH)-C-13. We use the heterodyne technique of mixing FIR laser radiations and microwave radiation on a metal-insulator-metal point-contact tunnel diode to determine the FIR laser frequencies. Two FIR laser systems, consisting of CO2 waveguide pump lasers and Fabry-Perot FIR laser cavities, were used as optical sources. (C) 1997 Optical Society of America.

Scanning tunneling microscope operating as a spin diode

We theoretically investigate spin-polarized transport in a system composed of a ferromagnetic scanning-tunneling-microscope (STM) tip coupled to an adsorbed atom (adatom) on a host surface. Electrons can tunnel directly from the tip to the surface or via the adatom. Since the tip is ferromagnetic and the host surface (metal or semiconductor) is nonmagnetic we obtain a spin-diode effect when the adatom is in the regime of single occupancy. This effect leads to an unpolarized current for direct bias (V > 0) and polarized current for reverse (V < 0) bias voltages, if the tip is nearby the adatom. Within the nonequilibrium Keldysh technique we analyze the interplay between the lateral displacement of the tip and the intra adatom Coulomb interaction on the spin-diode effect. As the tip moves away from the adatom the spin-diode effect vanishes and the currents become polarized for both V > 0 and V < 0. We also find an imbalance between the up and down spin populations in the adatom, which can be tuned by the tip position and the bias. Finally, due to the presence of the adsorbate on the surface, we observe spin-resolved Friedel oscillations in the current, which reflects the oscillations in the calculated local density of states (LDOS) of the subsystem surface + adatom.

Shot Noise in a Spin-Diode Geometry

We apply the master equation technique to calculate shot noise in a system composed of single level quantum dot attached to a normal metal lead and to a ferromagnetic lead (NM-QD-FM). It is known that this system operates as a spin-diode, giving unpolarized currents for forward bias and polarized current for reverse bias. This effect is observed when only one electron can tunnel at a time through the dot, due to the strong intradot Coulomb interaction. We find that the shot noise also presents a signature of this spin-diode effect, with a super-Poissonian shot noise for forward and a sub-Poissonian shot noise for reverse bias voltages. The shot noise thus can provide further experimental evidence of the spin-rectification in the NM-QD-FM geometry.

Scanning tunneling microscope operating as a spin diode

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Numerische und analytische Untersuchungen stark korrelierter fermionischer Mehrbandsysteme

In dieser Arbeit werden vier unterschiedliche, stark korrelierte, fermionische Mehrbandsysteme untersucht. Es handelt sich dabei um ein Mehrstörstellen-Anderson-Modell, zwei Hubbard-Modelle sowie ein Mehrbandsystem, wie es sich aus einer ab initio-Beschreibung für ein korreliertes Halbmetall ergibt.rnrnDie Betrachtung des Mehrstörstellen-Anderson-Modells konzentriert sich auf die Untersuchung des Einflusses der Austauschwechselwirkung und der nicht-lokalen Korrelationen zwischen zwei Störstellen in einem einfach-kubischen Gitter. Das zentrale Resultat ist die Abstandsabhängigkeit der Korrelationen der Störstellenelektronen, welche stark von der Gitterdimension und der relativen Position der Störstellen abhängen. Bemerkenswert ist hier die lange Reichweite der Korrelationen in der Diagonalrichtung des Gitters. Außerdem ergibt sich, dass eine antiferromagnetische Austauschwechselwirkung ein Singulett zwischen den Störstellenelektronen gegenüber den Kondo-Singuletts der einzelnen Störstellen favorisiert und so den Kondo-Effekt der einzelnen Störstellen behindert.rnrnEin Zweiband-Hubbard-Modell, das Jz-Modell, wird im Hinblick auf seine Mott-Phasen in Abhängigkeit von Dotierung und Kristallfeldaufspaltung auf dem Bethe-Gitter untersucht. Die Entartung der Bänder ist durch eine unterschiedliche Bandbreite aufgehoben. Wichtigstes Ergebnis sind die Phasendiagramme in Bezug auf Wechselwirkung, Gesamtfüllung und Kristallfeldparameter. Im Vergleich zu Einbandmodellen kommen im Jz-Modell sogenannte orbital-selektive Mott-Phasen hinzu, die, abhängig von Wechselwirkung, Gesamtfüllung und Kristallfeldparameter, einerseits metallischen und andererseits isolierenden Charakter haben. Ein neuer Aspekt ergibt sich durch den Kristallfeldparameter, der die ionischen Einteilchenniveaus relativ zueinander verschiebt, und für bestimmte Werte eine orbital-selektive Mott-Phase des breiten Bands ermöglicht. Im Vergleich mit analytischen Näherungslösungen und Einbandmodellen lassen sich generische Vielteilchen- und Korrelationseffekte von typischen Mehrband- und Einteilcheneffekten differenzieren.rnrnDas zweite untersuchte Hubbard-Modell beschreibt eine magneto-optische Falle mit einer endlichen Anzahl Gitterplätze, in welcher fermionische Atome platziert sind. Es wird eine z-antiferromagnetische Phase unter Berücksichtigung nicht-lokaler Vielteilchenkorrelationen erhalten, und dabei werden bekannte Ergebnisse einer effektiven Einteilchenbeschreibung verbessert.rnrnDas korrelierte Halbmetall wird im Rahmen einer Mehrbandrechnung im Hinblick auf Korrelationseffekte untersucht. Ausgangspunkt ist eine ab initio-Beschreibung durch die Dichtefunktionaltheorie (DFT), welche dann durch die Hinzunahme lokaler Korrelationen ergänzt wird. Die Vielteilcheneffekte werden an Hand einer einfachen Wechselwirkungsnäherung verdeutlicht, und für ein Wechselwirkungsmodell in sphärischer Symmetrie präzisiert. Es ergibt sich nur eine schwache Quasiteilchenrenormierung. Besonders für röntgenspektroskopische Experimente wird eine gute Übereinstimmung erzielt.rnrnDie numerischen Ergebnisse für das Jz-Modell basieren auf Quanten-Monte-Carlo-Simulationen im Rahmen der dynamischen Molekularfeldtheorie (DMFT). Für alle anderen Systeme wird ein Mehrband-Algorithmus entwickelt und implementiert, welcher explizit nicht-diagonale Mehrbandprozesse berücksichtigt.rnrn

Simulationen zur Exzitonendiffusion in organischen Halbleitern

Die vorliegende Dissertation dient dazu, das Verständnis des Exzitonentransports in organischen Halbleitern, wie sie in Leuchtdioden oder Solarzellen eingesetzt werden, zu vertiefen. Mithilfe von Computersimulationen wurde der Transport von Exzitonen in amorphen und kristallinen organischen Materialien beschrieben, angefangen auf mikroskopischer Ebene, auf der quantenmechanische Prozesse ablaufen, bis hin zur makroskopischen Ebene, auf welcher physikalisch bestimmbare Größen wie der Diffusionskoeffizient extrahierbar werden. Die Modellbildung basiert auf dem inkohärenten elektronischen Energietransfer. In diesem Rahmen wird der Transport des Exzitons als Hüpfprozess aufgefasst, welcher mit kinetischen Monte-Carlo Methoden simuliert wurde. Die notwendigen quantenmechanischen Übergangsraten zwischen den Molekülen wurden anhand der molekularen Struktur fester Phasen berechnet. Die Übergangsraten lassen sich in ein elektronisches Kopplungselement und die Franck-Condon-gewichtete Zustandsdichte aufteilen. Der Fokus dieser Arbeit lag einerseits darauf die Methoden zu evaluieren, die zur Berechnung der Übergangsraten in Frage kommen und andererseits den Hüpftransport zu simulieren und eine atomistische Interpretation der makroskopischen Transporteigenschaften der Exzitonen zu liefern. rnrnVon den drei untersuchten organischen Systemen, diente Aluminium-tris-(8-hydroxychinolin) der umfassenden Prüfung des Verfahrens. Es wurde gezeigt, dass stark vereinfachte Modelle wie die Marcus-Theorie die Übergangsraten und damit das Transportverhalten der Exzitonen oftmals qualitativ korrekt wiedergeben. Die meist deutlich größeren Diffusionskonstanten von Singulett- im Vergleich zu Triplett-Exzitonen haben ihren Ursprung in der längeren Reichweite der Kopplungselemente der Singulett-Exzitonen, wodurch ein stärker verzweigtes Netzwerk gebildet wird. Der Verlauf des zeitabhängigen Diffusionskoeffizienten zeigt subdiffusives Verhalten für kurze Beobachtungszeiten. Für Singulett-Exzitonen wechselt dieses Verhalten meist innerhalb der Lebensdauer des Exzitons in ein normales Diffusionsregime, während Triplett-Exzitonen das normale Regime deutlich langsamer erreichen. Das stärker anomale Verhalten der Triplett-Exzitonen wird auf eine ungleichmäßige Verteilung der Übergangsraten zurückgeführt. Beim Vergleich mit experimentell bestimmten Diffusionskonstanten muss das anomale Verhalten der Exzitonen berücksichtigt werden. Insgesamt stimmten simulierte und experimentelle Diffusionskonstanten für das Testsystem gut überein. Das Modellierungsverfahren sollte sich somit zur Charakterisierung des Exzitonentransports in neuen organischen Halbleitermaterialien eignen.

Evaluation Of Photodynamic Therapy Using A Diode Laser And Different Photosensitizers Against Enterococcus Faecalis.

Photodynamic therapy (PDT) has been proven to be effective in disinfecting root canals. The aim of this present study was to evaluate the effects of PDT on the viability of Enterococcus faecalis using methylene blue (MB) and malachite green (MG) as photosensitizers. Solutions containing E. faecalis (ATCC 29212) were prepared and harvested by centrifugation to obtain cell suspensions, which were mixed with MB and MG. Samples were individually irradiated by the diode laser at a distance of 1mm for 30, 60, or 120 seconds. Colonyforming units (CFU) were determined for each treatment. PDT for 60 and 120 seconds with MG reduced E. faecalis viability significantly. Similar results were obtained when MB was used as photosensitizer. PDT using MB and MG have antibacterial effect against E. faecalis, showing potential to be used as an adjunctive antimicrobial procedure in endodontic therapy.

Morphologic changes and removal of debris on apical dentin surfaces after Nd : YAG laser and diode laser irradiation

Objective: To verify the effects of laser energy on intracanal dentin surfaces, by analyzing the morphologic changes and removal of debris in the apical third of 30 extracted human teeth, prepared and irradiated with the Nd:YAG laser and diode laser. Background Data: Lasers have been widely used in endodontics. The morphologic changes in dentin walls caused by Nd: YAG and diode laser irradiation could improve apical seals and cleanliness. Materials and Methods: The protocol used for Nd: YAG laser irradiation was 1.5 W, 100 mJ, and 15 Hz, in pulsed mode, and for diode laser was 2.5 W in continuous mode. Each specimen was irradiated four times at a speed of 2 mm/sec with a 20-sec interval between applications. Five calibrated examiners scored the morphologic changes and debris removal on a 4-point scale. Results: In analyzing the scores, there were no statistically significant differences between the two types of laser for either parameter, according to Kruskal-Wallis testing at p = 0.05. The SEM images showed fusion and resolidification of the dentin surface, with partial removal of debris on the specimens irradiated with the Nd: YAG laser and the diode laser, compared with controls. Conclusion: Both lasers promote morphologic changes and debris removal. These alterations of the dentin surface appeared to be more evident in the Nd: YAG laser group, but the diode laser group showed more uniform changes.

Venous Lake of the Lips Treated Using Photocoagulation with High-Intensity Diode Laser

Objective: To evaluate the effectiveness of photocoagulation with high-intensity diode laser in the treatment of venous lake (VL) lesions. Background Data: VL is a common vascular lesion characterized by elevated, usually dome-shaped papules, ranging in color from dark blue to dark purple, seen more frequently in elderly patients. They often occur as single lesions on the ears, face, lips, or neck. Once formed, lesions persist throughout life. Although these lesions are usually asymptomatic, they can bleed if injured. Methods: Seventeen patients (7 men and 10 women) with VL on the lip were treated using a noncontact diode laser (wavelength 808 nm, power output 2-3 W in continuous wave). Results: After only one irradiation exposure, all lesions were successfully treated. Healing was completed in approximately 2 to 3 weeks, and none of the patients experienced complications. Postoperative discomfort and scarring were not present or were minimal. Conclusion: Photocoagulation with high-intensity diode laser is an effective, bloodless procedure for the treatment of VL.