Coulomb drag in parallel nanowires

• Main Author: Dai, David
• Format: Other/Unknown Material
• Language: English
• Published: Lunds universitet/Fasta tillståndets fysik 2020
• Subjects: Coulomb drag; nanowire; Physics and Astronomy; Driva; Fallet; Kring; Ström; Arktis*
• Online Access: http://lup.lub.lu.se/student-papers/record/9005206

In this project the transport phenomenon Coulomb drag is studied in a 1D system comprised of two nanowires in parallel. Specifically, a driving current across the active wire generated a drag current in the passive wire, and we studied how Coulomb drag influenced both the driving and drag currents. The theoretical calculations used in this project are based on the approach made by Gurevich et al. [Coulomb drag in the ballistic electron transport regime, Journal of Physics: Condensed Matter 10, 1 (1998)]. The approach is to solve the Boltzmann transport equation describing the Coulomb drag using an iterative method. What is different in our approach is that we iterated until we found a converged solution unlike Gurevich et al. who only iterated once. We also calculated the change in the driving current due to Coulomb drag which was not made by Gurevich et al. Our study showed that the drag current is linear as a function of applied bias voltage in both the passive and active wires in the small bias region. A non-linear drag current in the passive wire in the large bias regime where linear response theory no longer holds was also shown in our study. The temperature dependence of the drag and driving currents were also calculated. The results showed that the drag current generated in the passive wire has a linear temperature dependence while the temperature dependence of the current in the active wire was barely affected by the presence of Coulomb drag because the driving current is much larger than the generated drag current. We also found that the drag current has an exponential dependency of inter-wire separation distance, which coincides with the predictions of Gurevich et al. [Coulomb drag in the ballistic electron transport regime, Journal of Physics: Condensed Matter 10, 1 (1998)]. Lastly, our numerical calculations showed that the number of iterations required to reach a converged solution are few but increases if parameters corresponding to stronger electron-electron interaction are used. En termoelektrisk komponent utnyttjar den termoelektriska effekten till att omvandla värme till elektricitet. Termopar (eng: thermocouple) är en variant av termoelektriska komponenter. Termopar består av två parallellt liggandes elektriska ledare med ändarna anslutna till en kall och en varm källa. Storleken av ett termopar kan göras nanometer stora om man använder nanotrådar som elektriska ledare, vilket förbättrar termoparets verkningsgrad. I det fallet vet man sen tidigare att det fysikaliska fenomenet Coulomb drag uppkommer mellan nanotrådarna, men man vet inte hur det påverkar termoparets elgenerering. Mitt arbete visar att Coulomb drag kan komma reducera termoparets produktion av elektricitet. Hållbar utveckling är eftertraktat inom dagens utveckling inom samhälle, ekonomi och även vetenskap. Inom vetenskap bedrivs forksning om miljövänliga teknologier, t.ex. producering av grön energi. En teknik att producera grön energi är att använda sig utav termopar som utnyttjar termoelektriska effekten till att producera elektricitet. Dess fördelar är god robusthet och förmågan att omvandla spillvärme till elektricitet. En maskin/komponent, eller mer allmänt ett system, kan producera nyttiggjord energi om vi tillför den med energi, t.ex. i form av elektricitet, men värme (kallad spillvärme) kommer alltid att bildas som biprodukt eftersom ingen maskin har 100% verkningsgrad. Till exempel, en förbränningsmotor tillförd med bilbränsle producerar energi som driver bilen framåt (nyttiggjord energi) men den kommer även att bilda värme som upphettar motorn (spillvärme). I de flesta sammanhang kommer spillvärme gå förlorad då det inte finns någon bra användning av den, spillvärme kan inte användas till att driva en maskin – förutom termoelektriska komponenter. Termoparets användning idag är inte många, två viktiga användningsområden är (i) driva avlägsna datakommunikationssystem för olje- och gasledningar, och (ii) som elgenerator till arktiska väderstationer. Anledningen som förhindrat termopartes använding i stor utsträckning är dess låga verkningsgrad. Det sker en del forskning kring att förbättra termoparets verkningsgrad och en metod är att uttnyja nanotrådar. Metoden kan dock medföra Coulomb drag mellan nanotrådarna vilket visas minska dess verkningsgrad. Minskad elproduktion på grund av Coulomb drag är en dålig nyhet för nanotrådsbaserade termopar. Det är oklart hur mycket sämre verkningsgraden är till följd utav Coulomb drag. Kanske behöver man skapa en ny geometrisk design för nanotrådsbaserade termopar som häver Coulomb drag. Vad är Coulomb drag? Coulomb drag är ett fysikaliskt fenomen där elektrisk ström kan genereras i en passiv elektrisk ledare med hjälp av en annan ström driven genom en aktiv ledare. Fenomenet uppkommer när båda ledarna ligger parallellt med varandra och nära varandra.