pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2018-9-4-288-295pimi-402Research ArticleСредства измеренийMeasuring instrumentsМодель электромагнитного излучателя на основе потока одиночных электронов внутри изогнутой углеродной нанотрубкиModel of Electromagnetic Emitter Based on a Stream of Single Electrons inside Curved Carbon NanotubeПоклонскийН. А.PoklonskiN. A.

Адрес для переписки: Поклонский Н.А. – Белорусский государственный университет, пр-т Независимости, 4, г. Минск 220030, Беларусь.     e-mail: poklonski@bsu.by; poklonski@tut.by

Address for correspondence: Poklonski N.A. – Belarusian State University, Nezavisimosti Ave., 4, Minsk 220030, Belarus.    e-mail: poklonski@bsu.by; poklonski@tut.by

poklonski@bsu.byВыркоС. А.VyrkoS. A.ВласовА. Т.VlassovA. T.СяглоА. И.SiahloA. I.РаткевичС. В.RatkevichS. V.Белорусский государственный университетБеларусьBelarusian State UniversityBelarus20181712201894288295Copyright © Поклонский Н.А., Вырко С.А., Власов А.Т., Сягло А.И., Раткевич С.В., 20182018Поклонский Н.А., Вырко С.А., Власов А.Т., Сягло А.И., Раткевич С.В.Poklonski N.A., Vyrko S.A., Vlassov A.T., Siahlo A.I., Ratkevich S.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://pimi.bntu.by/jour/article/view/402

Вопросы создания и использования микрои нанометровых антенн для генерации и приема электромагнитного излучения все еще актуальны как в фундаментальном, так и в прикладном аспектах. С уменьшением размеров антенны частота электромагнитного излучения увеличивается, а мощность – падает. Для увеличения мощности излучения обычно применяются периодические (в пространстве) электродинамические структуры. Цель работы – найти возможность применения инжекции и (квази)баллистического дрейфа одиночных электронов внутри изогнутых углеродных нанотрубок для излучения электромагнитной волны в микроволновом диапазоне и определить параметры излучательной системы, которые влияют на мощность излучения.

Расчетным способом в рамках классической электродинамики показана принципиальная возможность генерации электромагнитного излучения гигагерцового диапазона потоком одиночных электронов внутри полой изогнутой диэлектрической углеродной нанотрубки.

Установлено, что спектром и мощностью этого излучения можно управлять, варьируя плотность потока электронов, длину и кривизну полой нанотрубки.

Результаты работы могут быть использованы при разработке микроминиатюрного источника микроволнового электромагнитного излучения на основе изогнутой углеродной нанотрубки в технике бесконтактной зондовой микроскопии.

The problems of elaboration and application of microand nanometer sized antennas for the generation and reception of electromagnetic radiation is still relevant in both fundamental and applied aspects. With decreasing antenna size, the frequency of electromagnetic radiation increases, and its power decreases. To increase the radiation power, the periodic (in space) electrodynamic structures are used. The aim of the work is to find the possibility of application of injection and (quasi)ballistic drift of single electrons inside curved carbon nanotubes for emission of electromagnetic waves in the microwave range and to determine the parameters of the radiating system that affect the radiation power.

By the calculation within the framework of classical electrodynamics it is shown the possibility in principle of generation of electromagnetic radiation of the gigahertz range by a stream of single electrons inside a hollow curved dielectric carbon nanotube.

It was found that the spectrum and power of this radiation can be controlled by varying the electron flux density, length and curvature of the hollow nanotube.

The results of the work can be applied for elaboration of a microminiature emitter of microwave electromagnetic radiation based on a curved carbon nanotube in the engineering of contactless probe microscopy.

изогнутая полая углеродная нанотрубкапоток одиночных электроновэлектромагнитный излучательэлектрический дипольный моментсurved hollow carbon nanotubestream of single electronselectromagnetic emitterelectric dipole momentReferencesХарламова, М.В. Электронные свойства одностенных углеродных нанотрубок и их производных / М.В. Харламова // УФН. – 2013. – Т. 183, № 11. – С. 1145–1174.Kharlamova M.V. Electronic properties of pristine and modified single-walled carbon nanotubes. Phys. Usp., 2013, vol. 56, no. 11, pp. 1047–1073. DOI: 10.3367/UFNe.0183.201311a.1145Treacy, M.M.J. Exceptionally high Young’s modulus observed for individual carbon nanotubes / M.M.J. Treacy, T.W. Ebbesen, J.M. Gibson // Nature. – 1996. – Vol. 381, № 6584. – P. 678–680. DOI: 10.1038/381678a0Treacy M.M.J., Ebbesen T.W., Gibson J.M. Exceptionally high Young’s modulus observed for individual carbon nanotubes. Nature, 1996, vol. 381, no. 6584, pp. 678–680. DOI: 10.1038/381678a0Laird, E.A. Quantum transport in carbon nanotubes / E.A. Laird [et al.] // Rev. Mod. Phys. – 2015. – Vol. 87, № 3. – P. 703–764.DOI: 10.1103/RevModPhys.87.703Laird E.A., Kuemmeth F., Steele G.A., Grove Rasmussen K., Nygård J., Flensberg K., Kouwenhoven L.P. Quantum transport in carbon nanotubes. Rev. Mod. Phys., 2015, vol. 87, no. 3, pp. 703–764. DOI: 10.1103/RevModPhys.87.703Jensen, K. Nanotube radio / K. Jensen, J. Weldon, H. Garcia, A. Zettl // Nano Lett. – 2007. – Vol. 7, № 11. – P. 3508–3511. DOI: 10.1021/nl0721113Jensen K., Weldon J., Garcia H., Zettl A. Nanotube radio. Nano Lett., 2007, vol. 7, no. 11, pp. 3508–3511. DOI: 10.1021/nl0721113Kleshch, V.I. Electromechanical self-oscillations of carbon nanotube field emitter / V.I. Kleshch, A.N. Obraztsov, E.D. Obraztsova // Carbon. – 2010. – Vol. 48, № 13. – P. 3895–3900. DOI: 10.1016/j.carbon.2010.06.055Kleshch V.I., Obraztsov A.N., Obraztsova E.D. Electromechanical self-oscillations of carbon nanotube field emitter. Carbon., 2010, vol. 48, no. 13, pp. 3895– 3900. DOI: 10.1016/j.carbon.2010.06.055Nanoelectronics and information technology: Advanced electronic materials and novel devices / Ed. By R. Waser. – Weinheim : Wiley, 2012. – 1040 p.Nanoelectronics and Information Technology: Advanced Electronic Materials and Novel Devices, ed. R. Waser. Weinheim, Wiley, 2012, 1040 p.Lee, S.W. Nanoelectromechanical devices with carbon nanotubes / S.W. Lee, E.E.B. Campbell // Curr. Appl. Phys. – 2013. – Vol. 13, № 8. – P. 1844–1859. DOI: 10.1016/j.cap.2013.02.023Lee S.W., Campbell E.E.B. Nanoelectromechanical devices with carbon nanotubes. Curr. Appl. Phys., 2013, vol. 13, no. 8, pp. 1844–1859. DOI: 10.1016/j.cap.2013.02.023Дьячков, П.Н. Электронные свойства и применение нанотрубок / П.Н. Дьячков. – М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015. – 491 с.Dyachkov P.N. [Electronic properties and application of nanotubes]. Moscow, BINOM. Laboratoriya znanii, 2015, 491 p. (in Russian).Братман, В.Л. Освоение терагерцевого диапазона: источники и приложения / В.Л. Братман, А.Г. Литвак, Е.В. Суворов // УФН. – 2011. – Т. 181, № 8. – С. 867–874.Bratman V.L., Litvak A.G., Suvorov E.V. Mastering the terahertz domain: sources and applications. Phys. Usp., 2011, vol. 54, no. 8, pp. 837–844. DOI: 10.3367/UFNe.0181.201108f.0867Батыгин, В.В. Сборник задач по электродинамике / В.В. Батыгин, И.Н. Топтыгин. – М. : НИЦ РХД, 2002. – 640 с.Batygin V.V., Toptygin I.N. [Collection of problems in electrodynamics]. Moscow : NIC RHD, 2002, 640 p. (in Russian).Griffiths, D.J. Introduction to electrodynamics / D.J. Griffiths. – Cambridge : Cambridge University Press, 2017. – xviii+600 p.Griffiths D.J. Introduction to Electrodynamics. Cambridge, Cambridge University Press, 2017, xviii+600 p.Elias, D.C. Control of graphene’s properties by reversible hydrogenation: evidence for graphane / D.C. Elias [et al.] // Science. – 2009. – Vol. 323, № 5914. – P. 610–613. DOI: 10.1126/science.1167130Elias D.C., Nair R.R., Mohiuddin T.M.G., Morozov S.V., Blake P., Halsall M.P., Ferrari A.C., Boukhvalov D.W., Katsnelson M.I., Geim A.K., Novoselov K.S. Control of graphene’s properties by reversible hydrogenation: evidence for graphane. Science, 2009, vol. 323, no. 5914, pp. 610–613. DOI: 10.1126/science.1167130Клавсюк, А.Л. Формирование и свойства металлических атомных контактов / А.Л. Клавсюк, A.M. Салецкий // УФН. – 2015. – Т. 185, № 10. – С. 1009–1030.Klavsyuk A.L., Saletsky A.M. Formation and properties of metallic atomic contacts. Phys. Usp., 2015, vol. 58, no. 10, pp. 933–951. DOI: 10.3367/UFNe.0185.201510a.1009Нолле, Э.Л. Туннельный механизм фотоэффекта в активированных цезием и кислородом металлических наночастицах / Э.Л. Нолле // УФН. – 2007. – Т. 177, № 10. – С. 1133–1137.Nolle E.L. Tunneling photoeffect mechanism in metallic nanoparticles activated by cesium and oxygen. Phys. Usp., 2007, vol. 50, no. 10, pp. 1079–1082. DOI: 10.1070/PU2007v050n10ABEH006368Быков, В.П. Кулоновская дезынтеграция слабых электронных потоков и фотоотсчеты / В.П. Быков, А.В. Герасимов, В.О. Турин // УФН. – 1995. – Т. 165, № 8. – С. 955–966.Bykov V.P., Gerasimov A.V., Turin V.O. Coulomb disintegration of weak electron fluxes and the photocounts. Phys. Usp., 1995, vol. 38, no. 8, pp. 911–921. DOI: 10.1070/PU1995v038n08ABEH000101Клепиков, Н.П. Излучение фотонов и электронно-позитронных пар в магнитном поле / Н.П. Клепиков // ЖЭТФ. – 1954. – Т. 26, № 1. – С. 19–34.Klepikov N.P. [Radiation of photons and electronpositron pairs in a magnetic field]. Zhurnal Eksperimental’noi i Teoreticheskoi Fiziki [Journal of Experimental and Theoretical Physics], 1954, vol. 26, no. 1, pp. 19–34 (in Russian).Тернов, И.М. Синхротронное излучение / И.М. Тернов // УФН. – 1995. – Т. 165, № 4. – С. 429– 456.Ternov I.M. Synchrotron radiation. Phys. Usp., 1995, vol. 38, no. 4, pp. 409–434. DOI: 10.1070/PU1995v038n04ABEH000082Schwartz, M. Principles of electrodynamics / M. Schwartz. – New York : Dover, 1987. – viii+344 p.Schwartz M. Principles of Electrodynamics. New York, Dover, 1987, viii+344 p.Сивухин, Д.В. Общий курс физики. В 5 т. Т. I. Механика / Д.В. Сивухин. – М. : Физматлит; Изд-во МФТИ, 2005. – 560 с.Sivukhin D.V. [General course of physics]. In 5 vols. Vol. I. [Mechanics]. Moscow, Fizmatlit; MIPT Publ., 2005, 560 p.Корн, Г. Справочник по математике (для научных работников и инженеров) / Г. Корн, Т. Корн. – М. : Наука, 1977. – 832 с.Korn G.A., Korn T.M. Mathematical Handbook for Scientists and Engineers: Definitions, Theorems, and Formulas for Reference and Review. New York, Dover, 2000, xx+1130 p.Справочник по специальным функциям с формулами, графиками и математическими таблицами / под ред. М. Абрамовица, И. Стиган. – М. : 1979. – 832 с.Handbook of Mathematical Functions: with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables, ed. M. Abramowitz, I.A. Stegun. New York, Dover, 1970, xiv+1046 p.Эпп, В.Я. К вопросу о когерентности синхротронного излучения / В.Я. Эпп, В.М. Седунов, В.Ф. Зальмеж // Изв. вузов. Физика. – 1988. – Т. 31, № 3. – С. 8–11.Épp V.Ya., Sedunov V.M., Zal’mezh V.F. Coherence of synchrotron radiation. Sov. Phys. J., 1988, vol. 31, no. 3, pp. 180–182. DOI: 10.1007/BF00898217Ситенко, А.Г. Теория рассеяния / А.Г. Ситенко. – Киев : Вища школа, 1975. – 256 с.Sitenko A.G. [The theory of scattering]. Kiev, Vishcha shkola, 1975, 256 p. (in Russian).Болотовский, М. Низкочастотное излучение релятивистских частиц, движущихся по дуге окружности / Б.М. Болотовский, А.В. Серов // ЖЭТФ. – 1992. – Т. 102, № 5(11). – С. 1506–1511.Bolotovskii B.M., Serov A.V. Low-frequency radiation of relativistic particles moving along the arc of a circle // Sov. Phys. JETP, 1992, vol. 75, no. 5, pp. 815–817. Available at: http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/r/index/e/75/5/p815?a=list (accessed 15.10.2018).Афанасьев, С.А. Потоки энергии при интерференции электромагнитных волн / С.А. Афанасьев, Д.И. Семенцов // УФН. – 2008. – Т. 178, № 4. – С. 377– 384.Afanas’ev S.A., Sementsov D.I. Energy fluxes during the interference of electromagnetic waves. Phys. Usp., 2008, vol. 51, no. 4, pp. 355–361.DOI: 10.1070/PU2008v051n04ABEH006502Reznik, A.N. Quantitative determination of sheet resistance of semiconducting films by microwave nearfield probing / A.N. Reznik, E.V. Demidov // J. Appl. Phys. – 2013. – Vol. 113, № 9. – P. 094501 (9 pp.). DOI: 10.1063/1.4794003Reznik A.N., Demidov E.V. Quantitative determination of sheet resistance of semiconducting films by microwave near-field probing. J. Appl. Phys., 2013, vol. 113, no. 9, pp. 094501 (9 pp.). DOI: 10.1063/1.4794003

The authors declare that there are no conflicts of interest present.