TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY (HUT) INTERNATIONAL TRAINING INSTITUTE FOR MATERIALS SCIENCE VIỆN VẬT LIỆU CẤU TRÚC NANO NANOSTRUCTURED MATERIALS HANOI - 2014 Nguyễn Anh Tuấn CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ ĐIỆN TỬ HỌC NANO: DÒNG ĐIỆN Ở THANG NANO AN INTRODUCTION TO NANOELECTRONICS & CURRENT AT THE NANOSCALE NguyenAnhTuan-ITIMS - 2014 CH.1- GIỚI THIỆU VỀ ĐIỆN TỬ HỌC NANO (nanoelectronics) – DÒNG ĐIỆN Ở THANG NANO CH.2- VẬT LIỆU BÁN DẪN CẤU TRÚC NANO CH.3- VẬT LIỆU QUANG TỬ, QUANG ĐIỆN TỬ NANO & NANO- PLASMONICS CH.4- VẬT LIỆU TỪ CẤU TRÚC NANO & SPINTRONICS CH.5- CÁC VẬT LIỆU NANO KHÁC & NHỮNG VẤN ĐỀ LIÊN QUAN NguyenAnhTuan-ITIMS - 2014 PHẦN NỘI DUNG CHÍNH GIỚI THIỆU CHUNG Mc ích môn hc, Cu trúc & phm vi môn hc, Sách GK và tài liu tham kho TỔNG QUAN (Nguyễn Anh Tuấn) 1. Tóm lưc lch s v KH&CN nano 2. Phân loi, gii thiu chung v cách thc tip cn nghiên cu các vt liu nano 3. Nhng c trưng, tính cht chung ph thuc kích thưc 4. Mt s vn  chung v công ngh ch to vt liu nano 5. Các công c cho khoa hc nano (ch to, thao tác, lp ráp và phân tích các cu trúc nano) 6. ng dng ca công ngh nano - Các sn phm t công ngh nano 7. Nhng thách thc và cơ hi i vi KH & CN nano. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ĐIỆN TỬ NANO (nanoelectronics) – DÒNG ĐIỆN Ở THANG NANO (Nguyễn Anh Tuấn) 1.1. Dòng in vĩ mô 1.2. Dòng in lưng t 1.3. S vn chuyn mesoscopic 1.4. Dòng xuyên ngm lưng t 1.5. Di trú in t (electromigration) 1.6. Dòng ơn in t và in t hc phân t (molecular electronics) NỘI DUNG MÔN HỌC NguyenAnhTuan-ITIMS - 2014 CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU BÁN DẪN CẤU TRÚC NANO (Nguyễn Văn Quy) 2.1. Gii thiu v linh kin bán dn có cu trúc nano 2.2. Ht nanô bán dn: Tính cht, tng hp và ng dng 2.3. Dây nanô bán dn: Tính cht, tng hp và ng dng 2.4. Cu trúc nanô “3D” dng màng mng 2.5. Các phương pháp vt lý ch to cu trúc nanô 2.6. Các chm lưng t bán dn 2.7. Nano silic 2.8. Các cu trúc nano ZnS và ZnO CHƯƠNG 3: QUANG TỬ, QUANG ĐIỆN TỬ NANO & NANO-PLASMONICS (Nguyễn Anh Tuấn) 3.1. M u 3.2. Quang t - nanophotonics 3.3. Quang in t nano 3.4. Quang t nano 3.5. Nanoplasmonics & Spinplasmonics 3.6. Mt s ng dng tiêu biu NỘI DUNG MÔN HỌC NguyenAnhTuan-ITIMS - 2014 CHƯƠNG 4: VẬT LIỆU TỪ CẤU TRÚC NANO & SPINTRONICS(Nguyễn Anh Tuấn) 4.1. Tính cht t  thang nano 4.2. Vt liu t khi có cu trúc nano 4.3. Ht t nano, dot t và các chùm nano t 4.4. Dây t và ng t nano 4.5. Màng mng t cu trúc nano 4.6. Phân t và nguyên t t cô lp 4.7. Các k thut hin i quan sát và phân tích các c trưng cu trúc t nano 4.8. Spintronics CHƯƠNG 5: CÁC VẬT LIỆU NANO KHÁC VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ LIÊN QUAN 5.1. Các vt liu nano carbon (…) 5.2. Các vt liu nano chc năng c bit khác (…) 5.3. Hoá hc nano (…) 5.4. Các cu trúc nano trong t nhiên (Nguyễn Anh Tuấn) 5.5. in t hc phân t, nguyên t và thông tin lưng t (Nguyễn Anh Tuấn) 5.6. Tình trng phát trin và tương lai ca công ngh nano (Nguyễn Anh Tuấn) 5.7. Vn  c hi và an toàn trong công ngh nano (Nguyễn Anh Tuấn) 5.8. Nhng vn  o c xã hi liên quan ti KH&CN nano (Nguyễn Anh Tuấn) NỘI DUNG MÔN HỌC NguyenAnhTuan-ITIMS - 2014 Các cu trúc nano t 1. Cơ chế của dòng điện vĩ mô 2. Cơ chế của dòng điện lượng tử 3. Cơ chế của sự vận chuyển mesoscopic 4. Cơ chế của dòng xuyên ngầm lượng tử 5. Cơ chế của sự di trú điện tử (electromigration) 6. Cơ chế của dòng đơn điện tử và điện tử học phân tử (molecular electronics) NguyenAnhTuan-ITIMS - 2014 CÁC VẤN ĐỀ TIẾP CẬN ĐẾN NANOELECTRONICS CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO CHÍNH CHO PHẦN NỘI DUNG NÀY [1] David K. Ferry and S. M. Goodnick, TRANSPORT IN NANOSTRUCTURES, Cambridge University Press 1997 (Mức cao, vật lý lượng tử chất rắn) [2] Colm Durkan, CURRENT AT THE NANOSCALE – An Introduction to Nanoelectronics, Imperial College Press 2007 (Mức trung bình, vật lý chất rắn đại cương) 1.1 - Dòng điện vĩ mô Giới thiệu khái quát những nét chính trong tiến trình nhận thức và xử lý đối với vật dẫn điện và sự dẫn điện vĩ mô: 1) Dòng điện cổ điển: Định luật Ohm & Mô hình Drude NguyenAnhTuan-ITIMS - 2014 Khi chưa phát hiện ra e - ⇒ quan sát vt dn (môi trưng) như mt tng th,  tm vĩ mô, mô t các hin tưng liên quan n vn chuyn in tích – các hin tưng dn in và nhit – ch yu da trên các mô hình có tính hình thc lun, coi môi trường là liên tục, mi dòng chảy là liên tục – các phương trình liên tục. → Các Phương trình Maxwell: → Mô hình dn in và nhit ca Drude da trên lý thuyt NG HC CHT KHÍ ca khí lý tưng: coi vt dn là mt H CHT KHÍ IN T, trong ó các in t dn (in tích âm) “lang thang” t do trong KL, còn các lõi ion dương “tĩnh ti”  các nút mng tinh th. → Các phân t khí lý tưng tuân theo phân bố Maxwell-Boltzmann. -  dn theo mô hình Rude: 0div 14 ; 1 ;0;0 = ∂ ∂ +⇒ ∂ ∂ +=×∇ ∂ ∂ −=×∇=⋅∇=⋅∇ t t c c t c ρ π j E j H Η ΕΗΕ m ne τ σ 2 = 1.1 - Dòng điện vĩ mô 2) Lý thuyết lượng tử: Lý thuyết Sommerfeld - coi điện tử là tự do Sau khi phát hiện ra e - - tính cht lưng t ưc ưa vào (cơ hc lưng t) ⇒ quan sát vt dn vn như mt tng th,  tm vĩ mô, và LIÊN TC, nhưng mô t các hin tưng dn liên quan n s vn chuyn ca các ht lưng t có tính cht XÁC SUT ⇒ s dng dòng chảy lượng tử liên tục – các phương trình lưng t liên tc, và TÍNH BO TOÀN XÁC SUT: Ví d phương trình Schrodinger là mt dng c th ca p/t liên tc không ph thuc thi gian mô t xác sut in t trong không gian (hàm sóng ψ (r)): - in t t do tuân theo phân bố Fermi-Dirac. - Các thông s Fermi: k F , v F , E F , T F & hàm phân b F-D  tính toán và nghiên cu các tính cht dn in và nhit. 0 ),( div = ∂ ∂ + t tP r j 3) Dòng điện trong chất rắn: Mô hình điện tử GẦN tự do & Cấu trúc dải Khi xét n các lõi ion dương ti các nút mng tinh th tun hoàn, hình thành nên trưng th tun hoàn trong ó các e - không còn t do hoàn toàn, mà “b kìm gi”, b hn ch s chuyn ng t do – IN T GẦN T DO ⇒ tính cht gn ging vi cht lng ⇒ CHT LNG FERMI – vì cht lng in t này tuân theo phân bố Fermi-Dirac. - Vt dn vn ưc xét như mt tng th,  tm vĩ mô, và LIÊN TC, nhưng mô t s dn in liên quan n s vn chuyn trong TRƯNG TH TUN HOÀN ⇒ Hàm Bloch & toán t tnh tin – các phương trình lưng t liên tc và xác sut (hàm sóng) có dng tun hoàn . Ví d phương trình Schrodinger: Hamiltonian có dng tun hoàn (T R là toán t tnh tin): ⇒ Năng lưng ch phân b liên tc trong min k ∈ ± G (b tán sc) & gián on ti ± G → →→ → Cấu trúc dải. NguyenAnhTuan-ITIMS - 2014 NguyenAnhTuan-ITIMS - 2014 1.1 - Dòng điện vĩ mô 4) Cấu trúc vùng & Khối lượng hiệu dụng 5) Nguồn gốc của điện trở - Dưi tác dng ca trường thế tuần hoàn ⇒ các di năng lưng b gián on ti các biên vùng Brillouin (vecto mng nghch G) ⇒ To thành các VÙNG NĂNG LƯNG. - Dưi tác dng ca trưng ngoài (in trưng, t trưng) ⇒ in t (m) va tăng tc (∆v) → vecto sóng gia tăng (∆k) ng thi va chu tác dng ca trưng tinh th ⇒ s gia tăng xung lưng (ћ∆k) tương ng vi m * ≠ m. ⇒ in t trong trưng tinh th chuyn ng dưi tác dng ca trưng ngoài vi mt khi lưng hiu dng m * : Nghĩa là m * là  o ca mc  gia tc ca xung lưng in t theo bin thiên năng lưng do trưng ngoài gây nên. Và  sai lch so vi khi lưng ca in t t do: (a là khong cách gia các nguyên t/hng s mng) - E càng nh (b rng vùng năng lưng càng nh), m * càng ln. E ma m m ∆ +≈ 2 2 * 2 1 h - Tán xạ bởi phonon – các chun ht biu din dao ng mng tinh th. - Tán xạ bởi sai hỏng mạng – các nút khuyt/ch trng, lch/méo mng, - Tán xạ bởi tạp chất/nguyên t l - Tán xạ bề mặt & hạn chế kích thước Làm bin dng trưng tinh th (tun hoàn) [...]... r t khác nhau, dòng đi n thông thư ng, đư c hi u r t đơn gi n qua mô hình Drude - đi n hình cho các KL - Khi các v t d n gi m kích thư c xu ng đ n thang nano, nhi u hi u ng tinh t ch đư c hi u theo cơ ch c a cơ h c lư ng t - Gi a hai ch đ vĩ mô và nano là hành vi v n chuy n mesoscopic (trung mô) - Đ nh lu t Ohm cho dòng đi n thang vĩ mô: • Quan sát th c nghi m c a Georg Ohm vào năm 1820 đã cho th y... t quy đ nh đ i v i dòng đi n trong đó: Vùng cạnh tranh giữa năng lượng lượng tử ∆Εk và năng lượng nhiệt kBT Vùng năng lượng lượng tử ∆Εk nổi trội Vùng năng lượng nhiệt kBT nổi trội nano Tỷ số ∆Εk/kBT theo kích thước của vật dẫn, trong khoảng 1 nm ÷ 10 µm và 3 vùng hiệu ứng nổi trội: lượng tử, meso, và vĩ mô NguyenAnhTuan-ITIMS - 2014 2) Lý thuy t lư ng t : Mô hình đi n t - Lý thuy t Sommerfeld t do... không gian-k đư c gi i h n b i m t c u kF - m t Fermi k = kF Toàn b các tr ng thái k đ u l p đ y đ n t n kF v i m t đ đ.t là: n = N/V EF = ħ2kF2/2m 3 kF n= 2 3π Kích thước vật dẫn - M t đ i lư ng c c kỳ quan tr ng trong VLCR và khoa h c nano, là s tr ng thái trên m t đơn v năng lư ng trong m t kho ng năng lư ng dE, trên m t đơn v th tích - m t đ tr ng thái - như là: 1 dN D( E ) = V dE 3D 2D 1D NguyenAnhTuan-ITIMS... đó l và A tương ng là chi u dài và thi t di n c a v t d n NguyenAnhTuan-ITIMS - 2014 1) Dòng đi n c đi n: Đ nh lu t Ohm & Mô hình Drude V n đ đ t ra đ i v i dòng đi n đ th c hi n vi c hi u ch nh thang nano khi có đóng góp c a cơ h c lư ng t : - Dòng đi n là gì? - T i sao và dòng đi n ph thu c vào đi n áp như th nào ? - Cái gì là tiêu bi u cho đi n tr /đi n tr su t c a các v t d n? - nh hư ng c a s thay... ng tinh th + Gi thi t này th a mãn v i ph n l n các kim lo i (vì đó th nguyên t và tương tác đi n t b ch n hi u qu do m t đ đi n t cao c a KL) → khí đi n t t do + Đ i v i bán d n hoàn toàn khác: c u trúc d i v i khe năng lư ng - Các đi n t có th có v n t c b t kỳ, do đó có th có năng lư ng b t kỳ + Gi thi t này là không th v i quan ni m lư ng t : năng lư ng có các giá tr xác đ nh và gián đo n - T... với dây rất ngắn NguyenAnhTuan-ITIMS - 2014 2) Lý thuy t lư ng t : Mô hình đi n t - Lý thuy t Sommerfeld - Ví d v m t đ tr ng thái c a carbon 3 d ng: 3D – graphite; 2D – graphene; và 1D – single wall nanotube carbon t do - Trư ng h p 0D → Xu t hi n hi u ng ch n Coulomb (Coulomb blockade) NguyenAnhTuan-ITIMS - 2014 2) Lý thuy t lư ng t : Mô hình đi n t - Lý thuy t Sommerfeld t do Hiện tượng nhốt (hay . CURRENT AT THE NANOSCALE NguyenAnhTuan-ITIMS - 2014 CH.1- GIỚI THIỆU VỀ ĐIỆN TỬ HỌC NANO (nanoelectronics) – DÒNG ĐIỆN Ở THANG NANO CH.2- VẬT LIỆU BÁN DẪN CẤU TRÚC NANO CH.3- VẬT LIỆU QUANG. TRÚC NANO CH.3- VẬT LIỆU QUANG TỬ, QUANG ĐIỆN TỬ NANO & NANO- PLASMONICS CH.4- VẬT LIỆU TỪ CẤU TRÚC NANO & SPINTRONICS CH.5- CÁC VẬT LIỆU NANO KHÁC & NHỮNG VẤN ĐỀ LIÊN QUAN NguyenAnhTuan-ITIMS. CHƯƠNG 4: VẬT LIỆU TỪ CẤU TRÚC NANO & SPINTRONICS(Nguyễn Anh Tuấn) 4.1. Tính cht t  thang nano 4.2. Vt liu t khi có cu trúc nano 4.3. Ht t nano, dot t và các chùm nano t