Luận án Mô phỏng Transistor phân tử vòng Benzene liên kết 1-4 với các nguyên tố thuộc nhóm Halogen

Nội dung tài liệu: Luận án Mô phỏng Transistor phân tử vòng Benzene liên kết 1-4 với các nguyên tố thuộc nhóm Halogen

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIAc TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TRẦN TIẾN PHỨC MÔ PHỎNG TRANSISTOR PHÂN TỬ VÒNG BENZENE LIÊN KẾT 1-4 VỚI CÁC NGUYÊN TỐ THUỘC NHÓM HALOGEN LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ TP. HỒ CHÍ MINH - 2008
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TRẦN TIẾN PHỨC MÔ PHỎNG TRANSISTOR PHÂN TỬ VÒNG BENZENE LIÊN KẾT 1-4 VỚI CÁC NGUYÊN TỐ THUỘC NHÓM HALOGEN Chuyên ngành: Vật lý vô tuyến và điện tử Mã số: 62 44 03 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS. TS. Đinh Sỹ Hiền TP. HỒ CHÍ MINH - 2008
3. i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của chính bản thân. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác trước đây. Tác giả luận án Trần Tiến Phức
4. ii Lời cảm ơn! Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới PGS.TS. Đinh Sỹ Hiền – người đã chỉ hướng, dìu dắt và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu để thực hiện luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Nguyễn Hữu Phương, GS.TS. Lê Khắc Bình, GS.TS. Nguyễn Đại Hưng, PGS.TS. Trần Hoàng Hải, GS.TS. Đặng Lương Mô và TS. Lê Hữu Phúc; các Thầy Giáo, Cô Giáo trong Khoa Điện tử - Viễn thông; các cán bộ Phòng Đào tạo Sau Đại học của Trường Đại học Khoa học Tự nhiên; Phòng thí nghiệm Công nghệ nanô thuộc Đại học Quốc gia Tp. HCM đã giúp đỡ tôi suốt quá trình học tập và nghiên cứu để hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn ThS. Phạm Thành Trung, ThS. Bùi An Đông và CN. Đinh Việt Nga là các thành viên trong nhóm nghiên cứu của đề tài “Xây dựng phần mềm mô phỏng NEMO-VN cho linh kiện điện tử nanô”. Tôi xin chân thành cảm ơn những ý kiến quý báu về transistor phân tử của GS. TS. Phan Hồng Khôi, Viện Khoa học Vật liệu, Viện KH&CNVN. Tôi xin chân thành cảm ơn Ph.D. Gerhard Klimeck - Technical Director for the Network for Computational Nanotechnology - đã có thư động viên khích lệ và cung cấp password để tôi có điều kiện tiếp cận và cập nhật thông tin về linh kiện điện tử nanô trên trang WEB: Tôi xin chân thành cảm ơn Ph.D. Supriyo Datta về những bài giảng trong lĩnh vực “Quantum Transport: Atom to Transistor” cùng những nhận xét, góp ý của Giáo sư về transistor phân tử vòng benzene trong luận án này. Tôi đặc biệt cảm ơn Gia đình và Bạn hữu đã động viên, giúp đỡ những lúc gặp khó khăn trong suốt thời gian theo học và thực hiện luận án. NCS. Trần Tiến Phức
5. iii MỤC LỤC MỞ ĐẦU ........................................................................................................................................................................................ 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LINH KIỆN ĐIỆN TỬ NANÔ............................................ 5 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG ......................................................................................................................................... 5 1.2. LINH KIỆN ĐIỆN TỬ NANÔ..................................................................................................................... 6 1.2.1. Những hạn chế của công nghệ vi điện tử ................................................................................... 6 1.2.2. Khái quát và phân loại linh kiện điện nanô ............................................................................ 7 1.2.3. Linh kiện điện tử nanô bán dẫn hiệu ứng lượng tử ........................................................... 8 1.2.3.1. Đảo, giếng thế và các hiệu ứng lượng tử ......................................................................... 9 1.2.3.2. Linh kiện đường hầm cộng hưởng ........................................................................................ 11 1.2.3.3. Hiệu ứng năng lượng trong các linh kiện lượng tử .............................................. 16 1.2.3.4. Những vấn đề nổi bật đối với linh kiện điện tử nanô bán dẫn .................. 23 1.2.3.5 Ống nanô Cacbon ................................................................................................................................ 25 1.2.4. Điện tử phân tử................................................................................................................................................. 30 1.2.4.1. Phân loại linh kiện điện tử phân tử dựa vào cấu trúc vật liệu ................. 31 1.2.4.2. Phân loại linh kiện điện tử phân tử dựa vào hiệu ứng chuyển mạch .. 33 1.2.4.3. Dây phân tử ............................................................................................................................................... 34 1.2.4.4. Linh kiện điện tử phân tử hiệu ứng lượng tử .............................................................. 35 1.2.4.5. Linh kiện chuyển mạch và khuếch đại cơ điện tử phân tử ............................ 35 1.2.4.6. Rơle phân tử .............................................................................................................................................. 36 1.2.4.7. Điôt phân tử .............................................................................................................................................. 37 1.2.4.8. Chuyển mạch và yếu tố nhớ ....................................................................................................... 38 1.2.4.9. Linh kiện ba chân .................................................................................................................................39 1.2.4.10. Linh kiện màng đơn phân tử ......................................................................................................40 1.2.4.11. Vấn đề điện cực và tiếp xúc trong điện tử phân tử .............................................. 42 1.2.5. Transistor phân tử ......................................................................................................................................... 43 1.2.5.1. Một số nghiên cứu điển hình về transistor phân tử ............................................. 43 1.2.5.2. Cấu tạo transistor phân tử .......................................................................................................... 47 1.2.5.3. Nguyên lý làm việc của transistor phân tử .................................................................. 50 1.2.5.4. Hàm Fermi ................................................................................................................................................. 53 1.2.6. Dòng điện I DS qua kênh dẫn của transistor phân tử ..................................................... 54 1.2.6.1. Mô tả định tính quá trình vận chuyển điện tích qua kênh phân tử ....... 54 1.2.6.2. Phân tích dòng I DS trên cơ sở hàm Fermi ..................................................................... 55 1.2.6.3. Dòng vào và dòng ra giữa kênh phân tử với hai điện cực D và S ......... 56 1.2.6.4. Biểu thức dòng điện I DS qua kênh dẫn chứa một mức năng lượng ε tính cho một trạng thái spin ....................................................................................................... 58
6. iv 1.2.6.5. Tính lượng tử của độ dẫn .............................................................................................................. 60 1.2.6.6. Điện thế trong kênh dẫn ................................................................................................................ 63 1.2.6.7. Thuật toán vòng lặp ........................................................................................................................... 66 1.2.6.8. Tương tác Coulomb ............................................................................................................................ 67 1.2.6.9. Điều kiện để lựa chọn phương pháp giải phương trình I DS ........................... 69 1.2.6.10. Transistor kênh phân tử có kích thước nanô .............................................................. 71 CHƯƠNG 2: TRANSISTOR PHÂN TỬ VÒNG BENZENE ...................................................74 2.1. XÂY DỰNG MẪU TRANSISTOR PHÂN TỬ ........................................................................ 74 2.2. CÁC THAM SỐ CỦA VẬT LIỆU LÀM KÊNH DẪN ..................................................... 76 2.2.1. Tham số tổng quát ......................................................................................................................................... 76 2.2.2. Phần mềm mô phỏng hóa học CAChe ........................................................................................ 77 2.2.3. Các tham số của phân tử làm kênh dẫn xác định trong CAChe ........................ 78 2.2.4. Liên kết của phân tử với nguyên tử Vàng ở điện cực D và S ................................ 84 2.3. SỬ DỤNG GUI TRONG MATLAB ĐỂ MÔ PHỎNG .................................... TRANSISTOR PHÂN TỬ ........................................................................................................................... 86 2.3.1. Tạo Slider để nhập số liệu ..................................................................................................................... 86 2.3.2. Thuật toán của chương trình tính dòng I DS ............................................................................ 87 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRANSISTOR PHÂN TỬ .................................... 92 3.1. HỌ ĐẶC TRƯNG DÒNG - THẾ CỦA TRANSISTOR PHÂN TỬ ...................... 92 3.1.1. Họ đặc trưng dòng - thế ở định dạng *.m file ..................................................................... 93 3.1.2. Họ đặc trưng dòng - thế ở định dạng *.fig file ................................................................... 94 3.1.3. Nhận xét về họ đặc trưng dòng – thế của transistor phân tử C 6H4F2.......... 96 3.2. ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ LÊN HỌ ĐẶC TRƯNG DÒNG - THẾ ...... 97 3.3. ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ LƯỢNG TỬ HÓA KÍCH THƯỚC PHÂN TỬ LÊN HỌ ĐẶC TRƯNG DÒNG – THẾ......................................................................................... 100 3.3.1. Sự lượng tử hóa kích thước của phân tử ................................................................................ 100 3.3.2. Ảnh hưởng của sự lượng tử hóa kích thước dài phân tử lên đặc trưng dòng - thế .............................................................................................................................................. 102 3.3.3. Ảnh hưởng của sự lượng tử hóa kích thước rộng phân tử lên đặc trưng dòng - thế .............................................................................................................................................. 104 3.3.4 Kết quả mô phỏng transistor kênh phân tử C 6H4Br 2................................................. 106 3.4. ĐỀ XUẤT VỀ MẶT THỰC NGHIỆM ......................................................................................... 109 KẾT LUẬN ............................................................................................................................................................................ 111 DANH MỤC BÀI BÁO, CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ........................................................ 114 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................................................ 116
7. v PHỤ LỤC ................................................................................................................................................................................. 120 PHỤ LỤC A: CODE MATLAB CỦA CHƯƠNG TRÌNH TRONG LUẬN ÁN .......................................................................................................................................... 120 PHỤ LỤC B: THIẾT KẾ VÀ XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ PHÂN TỬ TRONG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG CAC HE .......................................................................... 145 PHỤ LỤC C: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRANSISTOR KÊNH PHÂN TỬ ............ 157
8. vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Các hằng số cơ bản q điện tích của điện tử 1,602 × 10 -19 C h hằng số Planck 6,626 × 10 -34 J s h / 2 1,055 × 10 -34 J s m khối lượng của điện tử tự do 9,11 × 10 -31 kg -12 εo hằng số điện môi của chân không 8,854 × 10 F/m 2 -6 G0 = q / h lượng tử độ dẫn 38,7 × 10 S = 1 / (25,8 × 10 3 ) S = 1 / = A / V Công thức hóa học F Fluorine Cl Chlorine Br Bromine I Iodion C6H4F2 Difluorobenzene C6H4Cl 2 Dichlorobenzene C6H4Br 2 Dibromobenzene C6H4I2 Diiodobenzene
9. vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt CB Coulomb blockade Cấm Coulomb Complementary Metal Oxide CMOS Bán dẫn oxit kim loại bổ sung Semiconductor CNT Carbon NanoTube Ống nanô cacbon Carbon NanoTube Field Effect Transistor hiệu ứng trường CNTFET Transistor dùng ống nanô cacbon D Drain Cực máng Erasable Progammable Rread - Bộ nhớ ROM xóa được và lập EPROM Only Memory trình được FET Field Effect Transistor Transistor hiệu ứng trường G Gate Cực cổng GUI Graphic user interface Giao diện người dùng HME Hybrid Molecular Electronics Điện tử phân tử lai Highest Occupied Molecular Mức năng lượng cao nhất HOMO Orbital trong vùng hóa trị (vùng đầy) Kính hiển vi điện tử truyền HRTEM High Resolution TEM qua khả năng phân giải cao LB Langmuir – Blodget Màng Langmuir – Blodget Lowest Unoccupied Molecular Mức năng lượng thấp nhất LUMO Orbital trong vùng dẫn (vùng trống) MATLAB Matrix laboratory Phần mềm tính toán dưới dạng ma trận MME Mono Molecular Electronics Điện tử đơn phân tử
10. viii Metal-Oxide-Semiconductor Field Transistor hiệu ứng trường MOSFET Effect Transistor kim loại-ôxít-bán dẫn MT Molecular Transistor Transistor phân tử MWNT Multi-Wall Nanotube Ống nanô nhiều tường NEGF Non-equilibrium Green’s Function Hàm Green không cân bằng Nano Electronic Modeling – Bộ mô phỏng linh kiện điện NEMO-VN Vietnam tử nanô của Việt Nam QD Quantum Dot Chấm lượng tử QW Quantum Wire Dây lượng tử RTD Resonant tunneling diode Điôt đường hầm cộng hưởng RTT Resonant Tunneling Trasistor Transistor đường hầm cộng hưởng S Source Cực nguồn SCF Self-consistent field Trường tự tương thích SET Single electron transistor Transistor đơn điện tử SRAM Static random-access memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên tĩnh STM Scanning Tunneling Microscopy Kính hiển vi đường hầm quét SWNT Single-Wall Nanotube Ống nanô đơn tường TEM Transmission Electron Microscopy Kính hiển vi điện tử truyền qua Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên Tunnelling Static Random Access TSRAM tĩnh dùng hiệu ứng đường Memory hầm VLSI Very Large Scale Integration Mạch tích h p m t đ r t cao