CẤU TRÚC ĐIỆN TỬ VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA SIÊU MẠNG GRAPHENE

133 1.2K 0
CẤU TRÚC ĐIỆN TỬ VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA SIÊU MẠNG GRAPHENE

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

Thông tin tài liệu

MỤC LỤC i MỤC LỤC Trang MỤC LỤC i DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT iii DANH MỤC CÁC BẢNG iv DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ v GIỚI THIỆU CHUNG 1 1 TỔNG QUAN 8 1.1 Khái quát về câu chuyện graphene 8 1.2 Một số kiến thức nền tảng 12 1.2.1 Lai hóa sp 2 và các kiểu liên kết σ và π 12 1.2.2 Cấu trúc mạng tinh thể graphene 13 1.2.3 Các tính chất đối xứng của mạng tinh thể graphene 15 1.2.4 Cấu trúc vùng năng lượng của điện tử 15 1.2.5 Hệ thức tán sắc của các trạng thái năng lượng thấp - mô hình Dirac 18 1.2.6 Hàm sóng của các trạng thái kích thích năng lượng thấp 20 1.2.7 Mật độ trạng thái điện tử 21 1.2.8 Bài toán về cấu trúc vùng năng lượng điện tử của dải nano graphene (graphene nanoribbons) 22 1.2.8.1 Dải nano graphene biên zigzag 23 1.2.8.2 Dải nano graphene biên armchair (tay vịn) 25 1.2.8.3 Gói (package) phần mềm mô phỏng về cấu trúc vùng năng lượng điện tử của các dải nano graphene 28 1.3 Ứng dụng của graphene trong các ứng dụng điện tử và quang điện tử 30 2 CẤU TRÚC ĐIỆN TỬ VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA SIÊU MẠNG GRAPHENE 38 2.1 Giới thiệu 38 2.2 Mô hình lý thuyết và phương pháp tính 41 2.2.1 Tính toán cấu trúc vùng năng lượng 41 2.2.2 Tính toán đặc trưng hấp thụ quang 45 2.3 Kết quả và thảo luận 52 2.3.1 Tính chất điện tử của GSLs: sự định xứ kỳ lạ của một số trạng thái điện tử 52 2.3.2 Tính chất quang của cấu trúc GSLs: sự suy giảm độ dẫn quang trong miền năng lượng photon (0,U b ) và sự phụ thuộc vào trạng thái phân cực của photon 61 2.4 Kết luận chương 67 ii MỤC LỤC 3 SỰ TRUYỀN DẪN ĐIỆN TỬ QUA BỀ MẶT TIẾP XÚC KIM LOẠI-GRAPHENE 69 3.1 Giới thiệu 69 3.2 Mô hình lý thuyết và tính toán 72 3.3 Kết quả và thảo luận 76 3.4 Kết luận chương 80 4 MÔ PHỎNG LINH KIỆN GFETs 81 4.1 Giới thiệu 81 4.2 Cấu trúc linh kiện, mô hình và phương pháp mô phỏng 81 4.2.1 Cấu trúc GFETs nghiên cứu 81 4.2.2 Phương pháp mô phỏng 83 4.2.2.1 Packages OPEDEVS: Module GFET 83 4.2.2.2 Kiến thức nền tảng của module GFETs 83 4.2.2.3 Phát triển module GFETs cho đối tượng nghiên cứu 89 4.3 Kết quả và thảo luận 92 4.3.1 Thế năng tĩnh điện và phân bố hạt tải 92 4.3.2 Đặc trưng truyền dẫn của GFETs 95 4.4 Kết luận chương 100 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 101 TÀI LIỆU THAM KHẢO 103 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 113 PHỤ LỤC 114 Phụ lục 1. Bảng ma trận Hamiltonian của GSLs 114 Phụ lục 2. Bảng ma trận vận tốc của GSLs 116 Phụ lục 3. Cách sử dụng module GFETs 120 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 1. GSLs : Siêu mạng graphene (Graphene superlatices) 2. GFETs : Transistor hiệu ứng trường kênh dẫn làm bằng vật liệu graphene (Graphene-based Field-Effect Transistors) 3. MOSFET : Kim loại-Oxit-Bán dẫn transistor hiệu ứng trường silicon (Metal- Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors) 4. NEGF : Hàm Green không cân bằng (Non-Equilibrium Green's Functions) iv DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 3.1. Giá trị ước tính cho các thông số mô hình và điện trở suất/độ dẫn điện của một vài tổ hợp M-G 77 Bảng 4.1 Số liệu dòng cực tiểu và dòng cực đại cho các mẫu GFETs cho trên Hình 4.9 97 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ v DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Trang Hình M. 1 Một số cấu hình của cacbon 2 Hình M. 2 A. Geim, cha đẻ của graphene. 3 Hình 1.1 Hiệu ứng trường trong vài lớp graphene [69]. 9 Hình 1.2 Quan sát thực nghiệm của hiệu ứng Hall lượng tử dị thường ở graphene [70] 9 Hình 1.3 Ảnh TEM độ phân giải cao của một mẫu graphene [52] 12 Hình 1.4 Sự lai hóa sp 2 trong graphene; (a) Sự hình thành lai hóa orbital nguyên tử, (b) Cấu trúc orbital sau khi lai hóa. Orbital π (hồng) vuông góc với mặt phẳng chứa ba orbital σ (vàng cam)[53]. 13 Hình 1.5 Liên kết σ và liên kết π trong graphene; (a) Mô hình liên kết σ, (b) Mô hình liên kết π, (c) Liên kết σ trong graphene, các orbital σ đều nằm trong mặt phẳng mạng, (d) Liên kết π trong graphene, các orbital π vuông góc với mặt phẳng mạng [54] 13 Hình 1.6 Mô hình mạng tinh thể graphene 14 Hình 1.7 Cấu trúc mạng đảo của graphene và vùng Brillouin 14 Hình 1.8 Sự đối xứng mạng tinh thể graphene 15 Hình 1.9 Liên kết lân cận trong mạng tinh thể graphene 16 Hình 1.10 Cấu trúc vùng năng lượng của graphene trong vùng Brillouin I; a) Đồ thị trong không gian 3 chiều, b) Đồ thị contour chiếu lên mặt phẳng (k x ,k y ), c) Đồ thị đi theo các hướng đặc biệt. 18 Hình 1.11 Hàm mật độ trạng thái của điện tử 22 Hình 1.12 Dải nano graphene biên zigzag 23 Hình 1.13 Dải nano graphene biên armchair 25 Hình 1.14 Giao diện packages tính toán cấu trúc vùng năng lượng điện tử của dải nano graphene 28 Hình 1.15 Kết quả hiển thị của packages với các đầu vào tương ứng: a) mono layer biên zigzag, b) mono layer biên armchair, c) bilayer biên zigzag, d) bilayer biên armchair 29 Hình 1.16 Chức năng vẽ lại mẫu graphene đã tính toán 29 Hình 1.17 Một cấu trúc transistor hiệu ứng trường thông thường (MOSFET) [34] 30 Hình 1.18 Một số mô hình linh kiện graphene đầu tiên [34] 31 Hình 1.19 Đặc trưng truyền dẫn của MOSFET điển hình dùng graphene kích thước lớn [34]. MOSFET 1 ứng với trường hợp sử dụng graphene từ phương pháp bóc tách hay mọc trên kim loại, MOSFET 2 ứng với trường vi DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ hợp sử dụng graphene từ phương pháp epitaxy 32 Hình 1.20 Đặc tuyến Von-Ampe của MOSFET graphene [116]. (a): MOSFET 1 sử dụng graphene từ phương pháp bóc tách, (c): MOSFET 2 sử dụng graphene từ phương pháp epytaxy 33 Hình 1.21 Mô hình linh kiện GFETs trong nghiên cứu mô phỏng của nhóm J. Chauhan [68] 34 Hình 1.22 Quy trình chế tạo GFETs với điện cực cổng làm bằng dây nano GaN [82]. Hình f) minh họa sự hình thành lớp tiếp xúc Schottky giữa bề mặt tiếp xúc grapheme-GaN. 36 Hình 2.1 Hình ảnh mô tả một cấu trúc GSLs. a) Minh họa cấu trúc GSLs, b) Hình dạng của hàm thế tĩnh điện gây ra bởi các điện cực và hình dạng của các ô cơ sở của A-GSL và Z-GSL trong một chu kỳ thế, c) vùng Brillouin thứ nhất của A-GSL với hai điểm K 40 Hình 2.2 Ô đơn vị trong cấu trúc GSLs, a) A-GSLs, b) Z-GSLs 41 Hình 2.3 Vùng Brillouin I của cấu trúc GSLs, a) A-GSLs, b)Z-GSLs 53 Hình 2.4 Toàn bộ cấu trúc vùng năng lượng của một mẫu GSLs. a) A- GSLs, b) Z-GSLs, c) phần phóng to lân cận điểm K của A-GSLs, d) phần phóng to lân cân điểm K của Z-GSLs 54 Hình 2.5 Cấu trúc vùng năng lượng của A-GSLs với N = 2N 1 = 30, a) U b = 0 eV, b) U b = U 0 , c) U b = 2U 0 , d) U b = 3U 0 55 Hình 2.6 Cấu trúc vùng năng lượng của Z-GSLs với N = 2N 1 = 40, a) U b = 0 eV, b) U b = 2U 0 , c) U b = 4U 0 , d) U b = 6U 0 55 Hình 2.7 Biểu đồ xác suất tìm thấy điện tử p z trong một chu kỳ của hàm thế, mật độ xác xuất P n (k y ,x) với k x = 0 và n = 1, 2, 3 và 4 57 Hình 2.8 Kiểm tra hàm sóng của GSLs tại các vùng khác nhau tương ứng với các chỉ số về vector sóng và mức năng lượng khác nhau 57 Hình 2.9 Sự thay đổi của đường cong tán sắc, a) dọc theo phương k y , b) dọc theo phương k x , minh họa việc ghim lại của một số mặt năng lượng trong A-GSLs 58 Hình 2.10 Minh họa sự hình thành của các hình nón Dirac trong cấu trúc điện tử của A-GSLs 59 Hình 2.11 Mật độ trạng thái của các điện tử p z trong GSLs. Hình nhỏ là thu nhỏ của DOS trong vùng năng lượng cỡ 1 eV cho thấy rằng với nhiều đỉnh của DOS trong trường hợp GSLs là sự phản ánh của các đặc tính topo của các bề mặt năng lượng trong phạm vi năng lượng của sự thay đổi của thế năng 60 Hình 2.12 Độ dẫn quang của GSLs và graphene 62 Hình 2.13 Sự suy giảm độ dẫn quang của graphene bị "pha tạp" trong phạm vi năng lượng photon (0, 2E F ), vơi E F là năng lượng Fermi. Sơ đồ minh họa cơ chế ngăn chặn quá trình chuyển ngoại dải của điện tử có tên gọi là khóa Pauli. 63 Hình 2.14 So sánh các phần tử của ma trận chuyển quang của graphene (các đường cong màu đỏ) và GSLs 64 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ vii Hình 2.15 Phân tích đóng góp của quá trình chuyển quang từ các vùng năng lượng khác nhau trong vùng hóa trị nhảy lên vùng dẫn vào độ dẫn quang tổng cộng 65 Hình 2.16 Minh chứng cho sự chuyển mức nổi trội của các điện tử p z từ vùng hóa trị lên vùng dẫn 66 Hình 2.17 Sơ đồ minh họa một mô hình hiệu dụng giải thích các hành vi của độ dẫn quang của GSLs 67 Hình 3.1 Phương pháp đo để đánh giá ảnh hưởng kim loại lên graphene của nhóm Huard 70 Hình 3.2 Xem xét điện trở tiếp xúc M-G theo kiểu lớp chuyển tiếp n-p 71 Hình 3.3 Cấu trúc kim loại - graphene - kim loại (M-G-M) 72 Hình 3.4 Graphene tiếp xúc bề mặt với mặt (1 1 1) của kim loại mạng lập phương tâm mặt với ô đơn vị của graphene chứa 2 nguyên tử (Cu-FCC) 74 Hình 3.5 Graphene tiếp xúc bề mặt với mặt (1 1 1) của kim loại mạng lập phương tâm mặt với ô đơn vị của graphene chứa 8 nguyên tử (Ag, Al, Ir, Pt, Au-FCC) 74 Hình 3.6 Graphene tiếp xúc bề mặt với mặt (0 0 0 1)của kim loại mạng lục giác xếp chặt với ô đơn vị của graphene chứa 2 nguyên tử (Co-HPC) 74 Hình 3.7 Graphene tiếp xúc bề mặt với mặt (0 0 0 1)của kim loại mạng lục giác xếp chặt với ô đơn vị của graphene chứa 8 nguyên tử (Cd, Ru, Ti- HPC) 74 Hình 3.8 Cấu trúc vùng điện tử và pz-DOS (a, b) của tổ hợp G-Cu và, (c, d) tổ hợp G-Ti, tính bằng cách sử dụng code VASP4.6 (đường cong màu xanh) và mô hình đề xuất (đường cong màu đỏ) 76 Hình 3.9 Đặc trưng von-ampe của tổ hợp (a, f) Cu-G-Cu, (b, g) Au-G-Au, (c, h) Pt-G-Pt, (d, i) Pd-G-Pd, và (e, j) Ti-G-Ti. Năm đồ thị trên là kết quả của việc tính toán bằng việc sử dụng các giá trị của z ps t và z pd t cho trong Bảng 3.1 và năm đồ thị bên dưới là tính bằng việc sử dụng các giá trị nhỏ hơn một bậc 78 Hình 3.10 Hình ảnh của xác suất truyền qua như là một hàm của vector sóng k và năng lượng E với các giá trị khác nhau của điện áp của hai tổ hợp: Cu-G-Cu (bốn hình trên) và Pd-G-Pd (bốn hình dưới) 79 Hình 4.1 Mặt cắt ngang sơ đồ nguyên lý của mô hình GFETs nghiên cứu 82 Hình 4.2 Dạng linh kiện GFETs cụ thể trong gói OPEDEVS do TS. Đỗ Vân Nam phát triển 89 Hình 4.3 Sơ đồ thuật toán của quá trình giải hai phương trình (4.6) và (4.7) 90 Hình 4.4 Miền không gian linh kiện GFETs nghiên cứu 90 Hình 4.5 Thế năng tĩnh điện và mật độ hạt tải của cấu trúc GFETs có chiều dài kênh dẫn L c = 60nm,   G -M Re Σ = -0 .1 eV và V DS = 0.0V 93 Hình 4.6 Thế năng tĩnh điện và mật độ hạt tải của cấu trúc GFETs có viii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ chiều dài kênh dẫn L c = 60nm,   G -M Re Σ = -0 .1 eV và V DS = 0.2V 94 Hình 4.7 Độ dẫn G của một số mẫu GFETs phụ thuộc vào V GS với hai trường hợp khác nhau của   G -M Re Σ liên quan đến ảnh hưởng của điện cực kim loại 95 Hình 4.8 Độ dẫn G thực nghiệm trong nghiên cứu của nhóm Lei Liao với L c = 50-100nm 95 Hình 4.9 Đặc trưng I DS -V GS của một số mẫu GFETs 97 Hình 4.10 Đặc trưng I DS -V GS theo đo đạc thực nghiệm của nhóm Lei Liao với L c = 50-100nm 97 Hình 4.11 Đặc trưng I DS -V DS của một mẫu GFETs với L C = 40nm tại một số giá trị V GS , a) kết quả tính toán, b) kết quả thực nghiệm của nhóm Lei Liao 98 Hình 4.12 Độ dẫn G của một mẫu GFETs phụ thuộc vào V GS với sự ảnh hưởng của phần ảo   G -M = Im Σ liên quan đến ảnh hưởng của điện cực kim loại 99 Hình 4.13 Đặc trưng I DS -V GS của một mẫu GFETs với sự ảnh hưởng của phần ảo   G -M = Im Σ liên quan đến ảnh hưởng của điện cực kim loại 99 Hình 4.14 Quy trình thực hiện của module GFET trong packages OPEDEVS 120 Hình 4.15 Một ví dụ về cấu trúc hình học của một linh kiện GFETs nghiên cứu 121 GIỚI THIỆU CHUNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1. Lý do chọn đề tài và khái quát luận án Sự phát triển mạnh mẽ của nhiều lĩnh vực khoa học và kỹ thuật/công nghệ, nhất là lĩnh vực điện tử và công nghệ thông tin, đã làm cho đời sống xã hội toàn cầu có nhiều diện mạo mới. Có thể nói, các sản phẩm điện tử hiện nay có mặt khắp mọi nơi với giá thành rẻ, và mặc dù nhỏ gọn nhưng lại có rất nhiều chức năng. Về mặt công nghệ, lý do chính dẫn đến những thành quả như thế chính là nhờ những thành công trong việc phát triển các mạch tích hợp (Integrated Circuit - IC) trong đó một số lượng lớn các linh kiện cơ bản (ví dụ như các transistor, diot) đã được tích hợp một cách tối ưu. Như đã biết, mặc dù các transistor hoạt động theo nguyên lý trường (chẳng hạn như các linh kiện MOSFET - Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) được sử dụng từ khá sớm, ngành công nghiệp điện tử và bán dẫn chỉ thực sự đạt được bước triển nhảy vọt khi thiết bị với tên gọi CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) được phát minh. Về cơ bản, CMOS có thể được xem là một mạch tích hợp đơn giản nhất trong đó chỉ bao gồm hai linh kiện MOSFET, một với với kênh dẫn loại p và một với kênh dẫn loại n, kết nối với nhau và hoạt động theo cách bù trừ, bổ trợ cho nhau (khi p-MOSFET hoạt động thì n-MOSFET đóng, và ngược lại). Hoạt động của mạch CMOS thực sự đã tạo ra một hệ thống đóng-mở hiệu quả (tiêu tốn ít năng lượng) và do đó trở thành một yếu tố vật lý cơ bản trong các thiết bị điện tử. Có thể nói động lực thúc đẩy việc phát triển các mạch tích hợp là dựa trên ba yếu tố cơ bản: i) nhu cầu gia tăng các chức năng của hệ thống, ii) nâng cao năng lực lưu trữ thông tin, và iii) tối ưu và nâng cao tốc độ xử lý. Giải pháp thu nhỏ kích thước của các linh kiện nền tảng (cho đến nay) được xem là rất thích hợp để có thể đáp ứng được đồng thời ba nhu cầu này. Thực tế cho thấy, giải pháp này không những cho phép nâng cao mật độ linh kiện cơ bản trên mạch IC mà còn làm tăng tốc độ hoạt động thiết bị. Sự phát triển của lĩnh vực điện tử-bán dẫn thông qua việc thu nhỏ kích thước của linh kiện MOSFET có thể được phản ánh rõ nét nhất thông qua cái được gọi là “định luật Moore” (ghi nhận qua bài báo Moore viết cho tạp chí Electronics Magazine số ra ngày 19 tháng 4 năm 1965 nhân kỷ niệm 35 năm ra đời của tạp chí này) diễn tả tốc độ tích hợp các linh kiện cơ bản trong mạch IC: “Số lượng transistor trên mỗi đơn vị inch vuông sẽ tăng lên gấp đôi sau mỗi năm." (1 inch vuông xấp xỉ 6,45 cm²). Thực tế tốc độ gia tăng không hoàn toàn chính xác như vậy mà có những thay đổi song vẫn phản ánh đúng được tinh thần của phát biểu này (chẳng hạn, năm 2000 chu kỳ của sự phát triển được sửa lại là 18 tháng). Sự đúng đắn đến tài tình của nhận xét này từ khi ra đời đến nay đã không chỉ phán ánh các thành quả đạt được mà còn là một mục tiêu phấn đấu của các nhà công nghiệp cũng như đối với các nhà khoa học trong việc xác định đối tượng nghiên cứu trong giới hạn của nền công nghiệp hiện thời. Vào những năm đầu của thế kỷ 21, “định luật Moore” vẫn tỏ ra còn nghiệm đúng, mặc dù nhiều vấn đề thách thức đã nảy sinh từ khá lâu, đặc biệt khi mà hàng tỷ transistors đã được tích hợp thành công trong mỗi IC. Tuy nhiên, ngành công nghiệp điện tử và bán dẫn đã và đang dần thay đổi trọng tâm của mình sang lĩnh vực nâng cao hiệu năng sử dụng năng lượng trên tất cả các cấp độ. Vấn đề đặt ra trong thời kỳ này là tìm cách khai thác hiệu quả hơn nữa khả năng tích hợp transistor để tiếp tục cải thiện vấn đề hiệu năng nhưng vẫn nằm trong phạm vi cho phép về mặt công suất tiêu thụ năng lượng. Để tiếp tục tăng hiệu năng hoạt động của các linh kiện điện tử bán dẫn phải giải phóng nhanh chóng lượng nhiệt được sinh ra nhưng rõ ràng đây là một sự chuyển đổi khó giữa vấn đề sử dụng năng 2 GIỚI THIỆU CHUNG lượng và công suất làm việc. Các linh kiện điện tử với công nghệ 22 nm hiện nay đã được Intel đưa vào sản xuất. Khác với các công nghệ phẳng trước đó, nghĩa là các kênh dẫn điện của các transistor được điều khiển bằng các điện cực cổng phẳng, công nghệ 22 nm sẽ sử dụng một đột phá mới được gọi là công nghệ 3D. Đây chính là kết quả của những nghiên cứu cơ bản trước đó trong lĩnh vực vật lý linh kiện, trong đó các kênh dẫn là các dây lượng tử (quantum wires) và được điều khiển bằng các điện cực cổng hình chữ Ω (omega-gate) bao quanh chu vi của kênh dẫn [49]. Tuy nhiên, có một điều chắc chắn là sẽ không thể tiếp tục kéo dài xu hướng thu nhỏ kích thước linh kiện một cách liên tục và mãi mãi được. Về mặt vật lý, khi kích thước của các cấu trúc như MOSFET đạt đến một giới hạn nào đó, các hiệu ứng lượng tử như hiệu ứng giam cầm lượng tử, hiệu ứng chui ngầm lượng tử, hiệu ứng kết hợp pha lượng tử, hiệu ứng dính lứu lượng tử, … sẽ trở nên nổi trội và thậm chí có thể quy định hoạt động của các cấu trúc linh kiện. Điều này chính là vấn đề then chốt mà các nhà vật lý và kỹ thuật đang lo ngại khi tiếp tục giảm kích thước linh kiện bán dẫn. Thực tế, trong quá trình phát triển theo xu hướng thu nhỏ kích thước linh kiện người ta đã nhận thấy một số các vấn đề liên quan đến biểu hiện về độ tin cậy của các linh kiện và đã được đề cập đến thông qua khái niệm “hiệu ứng kênh dẫn ngắn” (short channel effects). Tuy nhiên, theo lý thuyết scaling của Robert Dennard đưa ra vào năm 1974 thì có thể giảm thiểu được các tác động của các hiệu ứng kênh dẫn ngắn này nếu đồng thời giảm chiều dài và độ dày của kênh dẫn cũng như sử dụng các loại vật liệu làm kênh dẫn có độ linh động của điện tử cao. Và như vậy, hiện nay đang diễn ra hai xu hướng nghiên cứu cơ bản đó là: i) tìm kiếm và khai thác các loại vật liệu tiên tiến có sự ổn định về cấu trúc và có độ linh động của điện tử lớn; ii) tìm tòi các thiết kế cấu trúc linh kiện mới mà có thể khai thác sử dụng được các hiệu ứng vật lý mới xuất hiện trong các cấu trúc thấp chiều. Với hướng nghiên thứ nhất, nghĩa là tìm kiếm các loại vật liệu mới, trong những năm 90 của thế kỷ trước với việc phát hiện ra ống cacbon nano (Carbon nanotubes) người ta đã cho rằng chính cacbon, nguyên tố nền tảng của sự sống, có thể sẽ giúp giải quyết các vấn đề mà công nghệ hiện thời đang gặp phải, và rất có thể khai sinh ra một thế hệ công nghệ mới [41,101]. Hình M. 1 Một số cấu hình của cacbon a) Kim cương, b) Than chì, c)Lonsdaleite, d) C60, e) C540, f) C70, g) Amorphous cacbon, h) Ống nano cacbon đơn tường, k) Graphene và sự hình thành các cấu trúc nano khác từ graphene [5] Hiện nay người ta đã biết đến rất nhiều dạng hình thù mà nguyên tố carbon có thể tồn [...]... Approximation) để tính toán cấu trúc điện tử của graphene và các dải nano, cũng như của các cấu trúc graphene siêu mạng Các khảo sát về cách thức phản ứng lại của các màng graphene do tác động của các bức xạ điện từ trường trong dải tần số quang học được thực hiện qua việc tính toán độ dẫn quang thông qua hình thức luận Kubo Chúng tôi đã phát triển một công cụ mô phỏng lượng tử các tính chất truyền dẫn điện của. .. vùng năng lượng của điện tử bên trong graphene trong các điều kiện nội tại và xử lý/chế tác khác nhau, và - Khảo sát các tính chất truyền dẫn của các trạng thái kích thích điện tử bên trong các màng graphene như các kênh dẫn điện trong một số cấu trúc linh kiện điển hình 4 Phương pháp nghiên cứu Trong số rất nhiều phương pháp tính toán cấu trúc điện tử của vật liệu chúng tôi lựa chọn và sử dụng phương... nghiên cứu của chúng tôi (dẫn dắt bởi TS Đỗ Vân Nam) cũng đang tập trung các nghiên cứu theo chiều hướng khảo sát những thay đổi về tính chất của graphene dưới các điều kiện tác động từ bên ngoài, chẳng hạn như sự dính bám của các nguyên tử lạ lên bề mặt graphene, các sai hỏng mạng tinh thể, và đặc biệt là các vấn đề về tác động của các điện cực lên cấu trúc điện tử và các tính chất truyền dẫn điện của các... thái của   vF   k    điện tử khi ở trạng thái năng lượng kích thích thấp:     4  vF  2   (1.33) Hình 1.11 Hàm mật độ trạng thái của điện tử 1.2.8 Bài toán về cấu trúc vùng năng lượng điện tử của dải nano graphene (graphene nanoribbons)2 Trên đây là những kiến thức cơ sở nhất về các tính chất điện tử của loại vật liệu graphene Mặc dù các nghiên cứu thực nghiệm chỉ ra rằng điện tử trong... với graphene, mô hình gần đúng liên kết chặt được áp dụng rất thành công để mô tả các tính chất điện tử của graphene, nhất là đối với các trạng thái trong miền năng lượng thấp Trên cơ sở mô hình này rất nhiều các tính chất về truyền dẫn điện, hay các tính chất quang, quang- từ của graphene cũng như của các dải graphene đã được dự đoán và kiểm chứng [17, 75] Mặc dù cho đến nay rất nhiều hiểu biết về graphene. .. liệu tích hợp trong các cấu trúc linh kiện khác nhau Cụ thể đối với bài toán thứ nhất, trước tiên chúng tôi thực hiện lại những nghiên cứu về các tính chất điện tử nội tại của các màng graphene lý tưởng trong đó tập trung vào các trạng thái của các điện tử 2pz Sau đó, chúng tôi mở rộng bằng cách tính toán cấu trúc vùng năng lượng của các điện tử 2pz trong các cấu trúc dải graphene một chiều với các... nguyên tử carbon Các nghiên cứu cơ bản chỉ ra rằng các tính chất điện tử của graphene cực kỳ nhạy cảm với các tác động vào bề mặt lớp này Trong khuôn khổ luận án này chúng tôi tập trung nghiên cứu về cơ chế truyền dẫn của điện tử qua lớp tiếp xúc giữa graphene và các bề mặt kim loại Nói cách khác, chúng tôi muốn tìm hiểu xem cách thức mà điện tử có thể được tiêm vào kênh dẫn graphene trong các cấu trúc. .. phần mềm mô phỏng về cấu trúc vùng năng lượng điện tử của các dải nano graphene Trên cơ sở các bài toán đã trình bày ở trên, chúng tôi đã tạo ra một packages cho hình ảnh về cấu trúc vùng năng lượng của các dải nano graphene đơn lớp (mono layer) và hai lớp (bilayer) Giao diện như trên Hình 1.14 Hình 1.14 Giao diện packages tính toán cấu trúc vùng năng lượng điện tử của dải nano graphene Packages này... hay cấu trúc các trạng thái khả dĩ của các điện tử dẫn trong graphene dưới các điều kiện tác động khác nhau, chẳng hạn như điều kiện biên, tác động của trường ngoài, và ii) nghiên cứu hành vi vận động hay sự truyền dẫn của các hạt tải điện (các trạng thái kích thích điện tử) bên trong các kênh dẫn điện graphene cũng như sự tiêm điện tử qua các lớp tiếp xúc giữa các loại vật liệu tích hợp trong các cấu. .. định là vào khoảng Eppπ ≈ -2.8 eV [46] Các điện tử nằm trên các trạng thái pz do đó sẽ hết sức linh động và không bị định xứ ở đâu trong toàn mạng tinh thể graphene Chính vì thế các điện tử này sẽ gần như quyết định các tính chất điện tử của graphene 13 1 TỔNG QUAN (b) Hình 1.4 Sự lai hóa sp2 trong graphene; (a) Sự hình thành lai hóa orbital nguyên tử, (b) Cấu trúc orbital sau khi lai hóa Orbital π (hồng) . pháp mô phỏng 81 4 .2. 1 Cấu trúc GFETs nghiên cứu 81 4 .2. 2 Phương pháp mô phỏng 83 4 .2. 2.1 Packages OPEDEVS: Module GFET 83 4 .2. 2 .2 Kiến thức nền tảng của module GFETs 83 4 .2. 2.3 Phát triển module. 1 .2 Một số kiến thức nền tảng 12 1 .2. 1 Lai hóa sp 2 và các kiểu liên kết σ và π 12 1 .2. 2 Cấu trúc mạng tinh thể graphene 13 1 .2. 3 Các tính chất đối xứng của mạng tinh thể graphene 15 1 .2. 4. hình lý thuyết và phương pháp tính 41 2. 2.1 Tính toán cấu trúc vùng năng lượng 41 2. 2 .2 Tính toán đặc trưng hấp thụ quang 45 2. 3 Kết quả và thảo luận 52 2. 3.1 Tính chất điện tử của GSLs: sự

Ngày đăng: 22/08/2015, 20:39

Từ khóa liên quan

Tài liệu cùng người dùng

  • Đang cập nhật ...

Tài liệu liên quan