Mô phỏng transistor phân tử vòng benzene liên kết 1 4 với các nguyên tố thuộc nhóm halogen

ĐẠI HỌC QUỐC GIAcTP 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 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 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 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu thân Các số liệu, kết trình bày luận án trung thực chưa công bố công trình khác trước Tác giả luận án Trần Tiến Phức ii Lời cảm ơn! Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới PGS.TS Đinh Sỹ Hiền – người hướng, dìu dắt giúp đỡ suốt trình học tập nghiên cứu để thực luận án 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 TS Lê Hữu Phúc; Thầy Giáo, Cô Giáo Khoa Điện tử Viễn thông; cán Phòng Đào tạo Sau Đại học Trường Đại học Khoa học Tự nhiên; Phòng thí nghiệm Công nghệ nanô thuộc Đại học Quốc gia Tp HCM giúp đỡ suốt trình học tập nghiên cứu để hoàn thành luận án Tôi xin chân thành cảm ơn ThS Phạm Thành Trung, ThS Bùi An Đông CN Đinh Việt Nga thành viên nhóm nghiên cứu đề tài “Xây dựng phần mềm mô NEMO-VN cho linh kiện điện tử nanô” Tôi xin chân thành cảm ơn ý kiến quý báu transistor phân tử 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 - có thư động viên khích lệ cung cấp password để có điều kiện tiếp cận cập nhật thông tin linh kiện điện tử nanô trang WEB: https://www.nanohub.org Tôi xin chân thành cảm ơn Ph.D Supriyo Datta giảng lónh vực “Quantum Transport: Atom to Transistor” nhận xét, góp ý Giáo sư transistor phân tử vòng benzene luận án Tôi đặc biệt cảm ơn Gia đình Bạn hữu động viên, giúp đỡ lúc gặp khó khăn suốt thời gian theo học thực luận án NCS Trần Tiến Phức iii MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LINH KIỆN ĐIỆN TỬ NANÔ 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.2 LINH KIỆN ĐIỆN TỬ NANÔ 1.2.1 Những hạn chế công nghệ vi điện tử 1.2.2 Khái quát phân loại linh kiện điện nanô 1.2.3 Linh kiện điện tử nanô bán dẫn hiệu ứng lượng tử 1.2.3.1 Đảo, giếng hiệu ứng lượng tử 1.2.3.2 Linh kiện đường hầm cộng hưởng 11 1.2.3.3 Hiệu ứng lượng linh kiện lượng tử 16 1.2.3.4 Những vấn đề bật 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 khuếch đại 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 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 tiếp xúc điện tử phân tử 42 1.2.5 Transistor phân tử 43 1.2.5.1 Một số nghiên cứu điển hình transistor phân tử 43 1.2.5.2 Cấu tạo transistor phân tử 47 1.2.5.3 Nguyên lý làm việc transistor phân tử 50 1.2.5.4 Hàm Fermi 53 1.2.6 Dòng điện IDS qua kênh dẫn transistor phân tử 54 1.2.6.1 Mô tả đònh tính trình vận chuyển điện tích qua kênh phân tử 54 1.2.6.2 Phân tích dòng IDS sở hàm Fermi 55 1.2.6.3 Dòng vào dòng kênh phân tử với hai điện cực D S 56 1.2.6.4 Biểu thức dòng điện IDS qua kênh dẫn chứa mức lượng ε tính cho trạng thái spin 58 iv 1.2.6.5 Tính lượng tử độ dẫn 60 1.2.6.6 Điện 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 IDS 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 hóa học CAChe 77 2.2.3 Các tham số phân tử làm kênh dẫn xác đònh CAChe 78 2.2.4 Liên kết phân tử với nguyên tử Vàng điện cực D 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 chương trình tính dòng IDS 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 - đònh dạng *.m file 93 3.1.2 Họ đặc trưng dòng - đònh dạng *.fig file 94 3.1.3 Nhận xét họ đặc trưng dòng – transistor phân tử C6H4F2 96 3.2 ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ LÊN HỌ ĐẶC TRƯNG DÒNG - THẾ 97 3.3 ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ LƯNG TỬ HÓA KÍCH THƯỚC PHÂN TỬ LÊN HỌ ĐẶC TRƯNG DÒNG – THẾ 100 3.3.1 Sự lượng tử hóa kích thước phân tử 100 3.3.2 Ảnh hưởng lượng tử hóa kích thước dài phân tử lên đặc trưng dòng - 102 3.3.3 Ảnh hưởng lượng tử hóa kích thước rộng phân tử lên đặc trưng dòng - 104 3.3.4 Kết mô transistor kênh phân tử C6H4Br2 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 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 CACHE 145 PHỤ LỤC C: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRANSISTOR KÊNH PHÂN TỬ 157 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Các số q điện tích điện tử 1,602 × 10-19 C h số Planck 6,626 × 10-34 J s ћ h / 2π 1,055 × 10-34 J s m khối lượng điện tử tự 9,11 × 10-31 kg εo số điện môi chân không 8,854 × 10-12 F/m G0 = q2 / h lượng tử độ dẫn 38,7 × 10-6 S = / (25,8 × 103 Ω) S=1/Ω=A/V Công thức hóa học F Fluorine Cl Chlorine Br Bromine I Iodion C6H4F2 Difluorobenzene C6H4Cl2 Dichlorobenzene C6H4Br2 Dibromobenzene C6H4I2 Diiodobenzene vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Anh Nghóa tiếng Việt CB Coulomb blockade Cấm Coulomb CMOS CNT Complementary Metal Oxide Semiconductor Bán dẫn oxit kim loại bổ sung Carbon NanoTube Ống nanô cacbon Carbon NanoTube Field Effect Transistor hiệu ứng trường Transistor dùng ống nanô cacbon Drain Cực máng Erasable Progammable Rread - Bộ nhớ ROM xóa lập Only Memory trình 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 lượng cao Orbital vùng hóa trò (vùng đầy) CNTFET D EPROM HOMO Kính hiển vi điện tử truyền HRTEM High Resolution TEM LB Langmuir – Blodget Màng Langmuir – Blodget Lowest Unoccupied Molecular Mức lượng thấp Orbital vùng dẫn (vùng trống) MATLAB Matrix laboratory MME Mono Molecular Electronics Phần mềm tính toán dạng ma trận Điện tử đơn phân tử LUMO qua khả phân giải cao viii Metal-Oxide-Semiconductor Field Transistor hiệu ứng trường Effect Transistor kim loại-ôxít-bán dẫn MT Molecular Transistor Transistor phân tử MWNT Multi-Wall Nanotube Ống nanô nhiều tường MOSFET NEGF Non-equilibrium Green’s Function Hàm Green không cân Nano Electronic Modeling – Bộ mô linh kiện điện Vietnam tử nanô 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 S Source Transistor đường hầm cộng hưởng Cực nguồn SCF Self-consistent field Trường tự tương thích SET Single electron transistor Transistor đơn điện tử SRAM Static random-access memory STM Scanning Tunneling Microscopy Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên tónh Kính hiển vi đường hầm quét SWNT Single-Wall Nanotube Ống nanô đơn tường TEM Transmission Electron Microscopy NEMO-VN TSRAM VLSI Tunnelling Static Random Access Memory Very Large Scale Integration Kính hiển vi điện tử truyền qua Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên tónh dùng hiệu ứng đường hầm Mạch tích hợp mật độ cao 146 Hình PLB3: Mức lượng thấp vùng dẫn phân tử C6H4Br2 Hình PLB4: Mức lượng thấp dải dẫn phân tử C6H4Br2 Hình PLB5: Mức lượng thấp dải dẫn phân tử C6H4Br2 147 Hình PLB6: Mức lượng thấp dải dẫn phân tử C6H4Br2 Hình PLB7: Mức lượng thấp dải dẫn số phân tử C6H4Br2 148 Bảng PLB1: Phân tử C6H4Br2 có quỹ đạo số 21 HOMO, quỹ đạo 22 LUMO (A) với giá trò lượng tương ứng (C), số điện tử chiếm chỗ (D) Bảng PLB2: Mật độ mức lượng nguyên tử gây nên phân tử C6H4Br2 149 PLB2 Các tham số phân tử C6H4Cl2 Hình PLB8: Mức lượng cao vùng hóa trò phân tử C6H4Cl2 Hình PLB9: Mức lượng thấp vùng dẫn phân tử C6H4Cl2 Hình PLB10: Mức lượng thấp dải dẫn phân tử C6H4Cl2 150 Hình PLB11: Mức lượng thấp dải dẫn số phân tử C6H4Cl2 Bảng PLB3: Phân tử C6H4Cl2 có quỹ đạo số 21 HOMO, quỹ đạo 22 LUMO (A) với giá trò lượng tương ứng (C), số điện tử chiếm chỗ (D) 151 Bảng PLB4: Mật độ mức lượng nguyên tử gây nên phân tử C6H4Cl2 PLB3 Các tham số phân tử C6H4F2 Hình PLB12: Mức lượng cao vùng hóa trò phân tử C6H4F2 Hình PLB13: Mức lượng thấp vùng dẫn phân tử C6H4F2 152 Hình PLB14: Mức lượng thấp dải dẫn số phân tử C6H4F2 Hình PLB15: Mức lượng thấp dải dẫn số phân tử C6H4F2 Bảng PLB5: Phân tử C6H4F2 có quỹ đạo số 21 HOMO, quỹ đạo 22 LUMO (A) với giá trò lượng tương ứng (C), số điện tử chiếm chỗ (D) 153 Bảng PLB6: Mật độ mức lượng nguyên tử gây nên phân tử C6H4F2 PLB4 Các tham số phân tử C6H4I2 Hình PLB16: Đo kích thước phân tử C6H4I2 154 Hình PLB17: Mức lượng cao vùng hóa trò phân tử C6H4I2 Hình PLB18: Mức lượng thấp vùng dẫn phân tử C6H4I2 Hình PLB19: Mức lượng thấp dải dẫn số phân tử C6H4I2 155 Hình PLB20: Mức lượng thấp dải dẫn số phân tử C6H4I2 Hình PLB21: Mức lượng thấp dải dẫn số phân tử C6H4I2 Hình PLB22: Mức lượng thấp dải dẫn số phân tử C6H4I2 156 Bảng PLB7: Phân tử C6H4I2 có quỹ đạo số 21 HOMO, quỹ đạo 22 LUMO (A) với giá trò lượng tương ứng (C), số điện tử chiếm chỗ (D) Bảng PLB8: Mật độ mức lượng nguyên tử gây nên phân tử C6H4I2 157 PHỤ LỤC C: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRANSISTOR KÊNH PHÂN TỬ PLC1 Transistor kênh phân tử C6H4F2 Hình PLC1: Ảnh hưởng kích thước dài phân tử C6H4F2 lên đặc trưng I - V Hình PLC2: Ảnh hưởng kích thước rộng phân tử C6H4F2 lên đặc trưng I - V 158 PLC2 Transistor kênh phân tử C6H4Cl2 Hình PLC3 Họ đặc trưng I - V transistor kênh phân tử C6H4Cl2 Hình PLC4 Ảnh hưởng nhiệt độ lên đặc trưng I - V transistor 159 PLC3 Transistor kênh phân tử C6H4I2 Hình PLC5 Ảnh hưởng kích thước dài phân tử C6H4I2 lên đặc trưng I - V Hình PLC6 Ảnh hưởng kích thước rộng phân tử C6H4I2 lên đặc trưng I - V 160 Hình PLC7 Họ đặc trưng I - V transistor kênh phân tử C6H4I2 Hình PLC8 Ảnh hưởng nhiệt độ lên đặc trưng I - V transistor kênh phân tử C6H4I2 [...]... của transistor phân tử Hình 1. 46 Kênh có nhiều nguyên tử và nhiều mức năng lượng trong vùng dẫn Hình 2 .1 Cấu trúc transistor kênh phân tử vòng benzene liên kết 1- 4 70 71 73 74 xiv với các nguyên tố thuộc nhóm Halogen Hình 2.2 Các nguyên tố F, Cl, Br, I thuộc nhóm Halogen trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học Hình 2.3 Tên gọi, ký hiệu hóa học và cấu trúc của các phân tử Hình 2 .4 Cấu trúc phân tử. .. đơn LB chỉ thò đặc trưng 40 chỉnh lưu Hình 1. 24 Thiết kế một TSRAM từ các linh kiện và dây nối phân tử 41 Hình 1. 25 a) mô phỏng transistor phân tử có kênh dẫn tiếp xúc với 44 xii cực điều khiển b) một vòng benzene trong kênh dẫn c) xác suất truyền điện tử theo mức năng lượng d) họ đường đặc trưng I-V của transistor Hình 1. 26 a) mô phỏng transistor phân tử có kênh dẫn cách ly với cực điều khiển b) mật... khối và hệ thống đơn phân tử 31 Hình 1. 17 Dây phân tử có khả năng dẫn dòng điện 34 Hình 1. 18 35 Cấu trúc và cơ chế của RTD phân tử Hình 1. 19 Chuyển mạch phân tử quay 36 Hình 1. 20 Linh kiện điôt phân tử 37 Hình 1. 21 Minh họa cấu trúc phân tử hai trạng thái bền 38 Hình 1. 22 Linh kiện ba cực cơ điện tử nanô 39 Hình 1. 23 a) Sơ đồ của linh kiện chỉnh lưu dựa trên màng LB phân tử; b) đường cong I-V của lớp... dẫn đơn phân tử 46 47 48 49 b) Kênh dẫn dây phân tử Hình 1. 31 Tính dẫn điện loại n hay loại p của kênh phân tử Hình 1. 32 Phân cực cho MOSFET kênh cảm ứng loại n trong mạch khuếch đại Hình 1. 33 Đồ thò hàm Fermi phụ thuộc vào nhiệt độ Hình 1. 34 Quá trình vận chuyển điện tử qua transistor khi có mức năng lượng của kênh phân tử ở vào khoảng giữa hai mức 50 51 53 54 thế điện hóa của D và S Hình 1. 35 Phân biệt... của phân tử Hình 3 .12 Ảnh hưởng kích thước dài của phân tử C6H4Br2 lên đặc trưng dòng - thế Hình 3 .13 Ảnh hưởng kích thước rộng của phân tử C6H4Br2 lên đặc trưng dòng - thế Hình 3 . 14 Họ đặc trưng dòng - thế của transistor kênh phân tử C6H4Br2 Hình 3 .15 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên đặc trưng dòng - thế của transistor kênh phân tử C6H4Br2 Hình 3 .16 So sánh dòng IDS của các transistor dùng kênh phân tử khác... C6H4F2 với sáu giá trò thế cổng khác nhau ở đònh dạng 83 85 91 93 xv *.m file Hình 3.2 Giao diện chính của chương trình mô phỏng transistor phân tử Hình 3.3 94 Kết quả khảo sát họ đặc trưng dòng - thế của transistor kênh phân tử C6H4F2 ở 313 K, L = 0. 716 1 nm, W = 0. 746 nm, với sáu giá trò thế cổng từ 0 V, 0 .1 V, 0.2 V, 0.3 V, 0 .4 95 V và 0.5 V Hình 3 .4 Họ đặc trưng dòng - thế của transistor kênh phân. .. phân tử ở trạng thái tương ứng 81 Hình 2.9 Xác đònh số mức năng lượng trong dải 82 Hình 2 .10 Xác đònh mặt tương tác lực van der Waals của phân tử 82 Hình 2 .11 Đo kích thước phân tử C6H4Cl2 và sự lượng tử hóa kích thước Hình 2 .12 Phân tử C6H4F2 liên kết với Vàng ở ba hướng quan sát khác nhau Hình 2 .13 Lưu đồ thuật toán tính dòng IDS Hình 3 .1 Kết quả họ đặc trưng dòng - thế của transistor kênh phân tử. .. bởi các nguyên tử Vàng trong liên kết 85 Bảng 3 .1 Giá trò các bước thay đổi độ dài L và độ rộng W của phân tử C6H4Cl2 10 3 x DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ VÀ HÌNH VẼ TT Đồ thò, hình vẽ Hình 1. 1 Phân loại linh kiện điện tử nanô Hình 1. 2 Giếng lượng tử cho một điôt đường hầm cộng hưởng (RTD) [2] Hình 1. 3 Sơ đồ tiết diện ngang và nguyên lý hoạt động của điôt đường hầm cộng hưởng (RTD Hình 1. 4 Tiết diện ngang và nguyên. .. Khảo sát ảnh hưởng của sự lượng tử hóa kích thước dài phân tử C6H4Cl2 lên đáp trưng dòng - thế của transistor ở 10 3 nhiệt độ 313 K, thế cổng 0.3 V, kích thước rộng 0.6 918 nm Hình 3 .10 Khảo sát ảnh hưởng của sự lượng tử hóa kích thước rộng phân tử C6H4Cl2 lên đáp trưng dòng - thế của transistor ở nhiệt độ 313 K, thế cổng 0.3V, kích thước dài 0. 840 5 nm 10 4 xvi Hình 3 .11 Mô tả tấm lưới trạng thái cùng mức... 1. 12 26 Thí dụ về CNT với các vectơ chu vi khác nhau Ch Hình 1. 13 Transistor hiệu ứng trường dùng ống nanô cacbon Hình 1. 14 Tế bào SRAM làm bằng CNTFET nhờ nối chéo nhau với các điện trở ngoài 28 28 Hình 1. 15 Khái niệm cho một công nghệ vi mạch dựa hoàn toàn trên CNT, tất cả các yếu tố hoạt và kết nối được chế tạo bằng 29 ống nano Hình 1. 16 Phác thảo đònh nghóa hệ thống phân tử khối và hệ thống đơn phân ... nhiều nguyên tử nhiều mức lượng vùng dẫn Hình 2.1 Cấu trúc transistor kênh phân tử vòng benzene liên kết 1-4 70 71 73 74 xiv với nguyên tố thuộc nhóm Halogen Hình 2.2 Các nguyên tố F, Cl, Br, I thuộc. .. 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 điện tử Mã số: 62 44 03 01 LUẬN ÁN TIẾN... kế mô hoạt động transistor sử dụng phân tử vòng benzene liên kết đối xứng với hai nguyên tử thuộc nhóm Halogen (Flourine - F, Chlorine - Cl, Bromine - Br, Iodine – I) làm kênh dẫn tiếp xúc với