nghiên cứu cấu trúc và quá trình vận chuyển của một số linh kiện điện tử nano

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ Q TRÌNH VẬN CHUYỂN CỦA MỘT SỐ LINH KIỆN ĐIỆN TỬ NANO S K C 0 9 MÃ SỐ: T38 - 2008 S KC 0 Tp Hồ Chí Minh, 2008 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT Tp HCM ***** ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ QUÁ TRÌNH VẬN CHUYỂN CỦA MỘT SỐ LINH KIỆN ĐIỆN TỬ NANO MÃ SỐ: T38 - 2008 Chủ nhiệm đề tài: Ths Nguyễn Thò Lưỡng THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH 12/ 2008 A PHẦN GIỚI THIỆU I TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Trong năm gần giới có chuyển biến quan trọng, đời sống người dân ngày nâng cao, bên cạnh ngành khoa học kỹ thuật ngày phát triển với thành tựu vượt bậc Nhờ ứng dụng cơng nghệ tiên tiến mà ngày người có điều kiện tiếp xúc với trang thiết bị đại phục vụ cho sống Laptop, Cell phone, mp3…mà vài kỷ trước chưa nghĩ tới Để có phát triển vượt bậc ngày phải kể đến cách mạng điện tử bắt đầu vào năm 1947 nhóm William Shockley, John Bardeen Walter Brattain Phòng thí nghiệm Bell phát minh transistor bán dẫn dẫn đến việc hình thành lên cơng nghiệp linh kiện điện tử bán dẫn Đỉnh cao cơng nghệ bán dẫn vi xử lý thơng minh chứa hàng triệu linh kiện diện tích cực nhỏ Đây bước ngoặc to lớn cho hình thành phát minh khoa học sau Theo báo cáo hiệp hội cơng nghiệp bán dẫn quốc tế (SIA’s International Technology Roadmap for Semiconductor, ITRS) kích thước transistor IC silic giảm xuống 100 nm ( cỡ 30 – 50 nm) tới 2014 thực tế kích thước transistor 45 nm Theo tài liệu linh kiện CMOS ngày tiệm cận tới giới hạn chức vật lý chúng tiên đốn 10 nm Những hiệu ứng lượng tử bị bỏ qua vận chuyển phần tử tải điện mong đợi vấn đề Gần đây, nhà nghiên cứu phải cơng nhận hạn chế cơng nghệ điện tử truyền thống khiến cho việc phát triển cơng nghệ tiến tới giới hạn Trong vòng 30 năm cuối kỷ 20, mật độ transistor tích hợp chip IC tăng gấp đơi (Định luật Moore I) sau khoảng 12-18 tháng, theo định luật Moore cơng nghệ truyền thống dần tiến đến giới hạn cần có cơng nghệ để thay cơng nghệ truyền thống Mặc khác hai vấn đề có tính ngun tắc nảy sinh Đó mâu thuẫn mang tính chất kinh tế (Định luật Moore II): giá thành nhà máy chế tạo chip tăng lên gấp đơi sau năm, thị trường tiêu thụ IC tăng gấp đơi sau năm Khi kích thước linh kiện ngày nhỏ, xuống đến kích thước nanơmét, tính chất khơng giống học cổ điển mà có liên quan đến hiệu ứng lượng tử Chẳng hạn đến năm 2020, transistor chấm lượng tử cần đến điện tử (đơn điện tử) để hoạt động Đây vùng phát huy tác dụng hiệu ứng lượng tử Các hạn chế thúc đẩy nhà vật lý tìm kiếm linh kiện thay linh kiện truyền thống, vật liệu để thay vật liệu cũ Chính mà cơng nghệ Nano đời đáp ứng nhu cầu cấp thiết xã hội đặt Hình 1: Định luật Moore I Mật độ tích hợp linh kiện bán dẫn nhiều theo thời gian làm cho cơng nghệ chế tạo theo hướng truyền thống tiến đến giới hạn kích thước Hình 2: Định luật Moore II Để có nhìn tổng quan cơng nghệ nano, định nghĩa cơng nghệ nano Đầu tiên ta nói đến nano nói đến phần tỷ đó, ví dụ : nano giây khoảng thời gian phần tỷ giây Còn nano mà dùng có nghĩa nano mét, phần tỷ mét Nói cách rõ vật liệu chất rắn có kích thước nm yếu tố quan trọng mà làm việc vật liệu trạng thái rắn Vật liệu nano thuật ngữ phổ biến, khơng phải có khái niệm rõ ràng thuật ngữ Để hiểu rõ khái niệm vật liệu nano, cần biết hai khái niệm có liên quan khoa học nano (nanoscience) cơng nghệ nano (nanotechnology) Theo Viện hàn lâm hồng gia Anh quốc : Khoa học nano ngành khoa học nghiên cứu tượng can thiệp (manipulation) vào vật liệu quy mơ ngun tử, phân tử đại phân tử Tại quy mơ đó, tính chất vật liệu khác hẳn với tính chất chúng quy mơ lớn Cơng nghệ nano việc thiết kế, phân tích đặc trưng, chế tạo ứng dụng cấu trúc, thiết bị, hệ thống việc điều khiển hình dáng kích thước quy mơ nano mét Vật liệu nano đối tượng hai lĩnh vực khoa học nano cơng nghệ nano, liên kết hai lĩnh vực với Kích thước vật liệu nano trải khoảng rộng, từ vài nm đến vài trăm nm Để có số dễ hình dung, ta có cầu có bán kính bóng bàn thể tích đủ để làm nhiều hạt nano có kích thước 10 nm, ta xếp hạt thành hàng dài độ dài chúng ngàn lần chu vi trái đất Vật liệu nano lại có sức hấp dẫn to lớn nhờ vào tính chất Tính chất thú vị vật liệu nano bắt nguồn từ kích thước chúng nhỏ bé so sánh với kích thước tới hạn nhiều tính chất hóa lí vật liệu Vật liệu nano nằm tính chất lượng tử ngun tử tính chất khối vật liệu Đối với vật liệu khối, độ dài tới hạn tính chất nhỏ so với độ lớn vật liệu, vật liệu nano điều khơng nên tính chất khác lạ ngun nhân II ĐỐI TƯNG NGHIÊN CỨU - Cấu trúc số linh kiện điện tử nanô - Đặc trưng số linh kiện điện tử nanô III TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC Các tài liệu nghiên cứu cấu trúc vật liệu nano chủ yếu, cấu trúc linh kiện điện tử nano tiến hành nghiên cứu IV NHỮNG VẤN ĐỀ TỒN TẠI Với cố gắng nỗ lực, người nghiên cứu trình bày mô hình cấu trúc số linh kiện điện tử nano Qua xây dựng chương trình mô đặc trưng I-V RTD CNTFET phục vụ cho học tập vàø nghiên cứu Kết đề tài làm tài liệu tham khảo cho sinh viên, học viên cao học giáo viên có nhu cầu nghiên cứu lónh vực Tuy nhiên với thời gian, kinh phí có hạn nên đề tài mô hai chiều (2D) MỤC LỤC A Phần giới thiệu - Tính cấp thiết đề tài - Đối tượng nghiên cứu - Tình hình nghiên cứu nước - Những vấn đề tồn - Mục lục B Phần nội dung - Mục đích nghiên cứu … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … - Phương pháp nghiên cứu … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … - Nội dung nghiên cứu … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … Chương Một số khái niệm điện tử Nano…… … … … … … … … … … … … … 1.1 Hệ bán dẫn thấp chiều:… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 1.2 Chấm lượng tử: (Quantum dot)… … … … … … … … … … … … … … … … … … … 1.3 Dây lượng tử: (Quantumwire) …… … … … … … … … … … … … … … … … … … … 1.4 Giếng lượng tử: (Quatum well) … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … Chương Linh kiện điện tử nano … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 10 2.1 Các hiệu ứng vật lý bản: … … … … … … … … … … … … … … … … … 11 2.2 Transistor đơn điện tử:(SET) … … … … … … … … … … … … … … … 12 2.3 Diode xuyên hầm cộng hưởng: (RTD) … … … … … … … … … … … … … … … 17 2.4 Transistor hiệu ứng trường ống nano cacbon (CNTFET) … … … … … … … 20 2.5 Một số cấu trúc linh kiện phân tử: … … … … … … … … … … … … … … … … … 25 C Phần kết luận I Tóm tắt công trình … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 29 II Tự nhận xét … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 29 III Kết luận … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 20 Tài liệu tham khảo … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 30 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T38 - 2008 B NỘI DUNG Ths NGUYỂN THỊ LƯỢNG Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T38 - 2008 I MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu cấu trúc số linh kiện điện tử nanô - Mô trình vận chuyển số linh kiện điện tử nanô II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Phương pháp tham khảo tài liệu - Xây dựng mô hình - Tính toán mô III NỘI DUNG NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu tổng quan linh kiện điện tử nanô - Mô trình vận chuyển số linh kiện điện tử nanô - Viết tài liệu học tập - Viết báo cáo kết đề tài Ths NGUYỂN THỊ LƯỢNG Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T38 - 2008 CHƯƠNG I MỘT SỐ KHÁI NIỆM TRONG ĐIỆN TỬ NANƠ Ths NGUYỂN THỊ LƯỢNG Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T38 - 2008 Hình 2.7: Ảnh hưởng nhiệt độ đến dòng IDS 2.2.4.Những ứng dụng quantum dot SET: Ưu điểm bật linh kiện quantum dot kích thước vơ nhỏ, tiêu thụ lượng tốc độ hoạt động cực nhanh Với mạch điện tử nano, khơng gặp phải vấn đề tỏa nhiệt, cách điện đặc biệt tượng thơng hầm phận hay phần tử mạch mạch điện truyền thống Một SET kích thước cỡ nano hoạt động cổng logic số SET thay cho c vật liệu để sản xuất cơng tắc quang học Một chấm lượng tử đơn hoạt động đơn vị điện tử siêu nhỏ, chẳng hạn bóng bán dẫn, để hình thành nên sở thiết bị điện tử cỡ nano Với kích cỡ 1-6nm, hàng tỷ chấm lượng tử nằm gọn đầu đinh ghim Người ta tổ chức quantum dot thành tế bào, tế bào gồm có năm quantum dot Các tế bào lại tổ chức thành mảng, thành ma trận quantum dot hoạt động linh kiện đơn, thực chức có độ phức tạp cao, đưa kết tới đầu khoảng thời gác mạch flip-flop truyền thống phức tạp Các phần tử nhớ truyền thống có hai trạng thái nhớ 1, phần tử nhớ SET có số trạng thái nhớ điều khiển (chính số trạng thái lượng tử hố thế) Và đó, ta xây dựng nên nhớ có dung lượng khổng lồ, tốc độ ghi đọc cực nhanh kích thước siêu gọn Gần đây, nhà hóa học thuộc ĐH Vanderbilf (Mỹ) tình cờ phát cách làm cho chấm lượng tử phát ánh sáng trắng Với khám phá này, tương lai chấm lượng tử sử dụng để làm đi-ốt phát quang (Led), thay cho bóng đèn dây tóc Bộ Năng lượng Mỹ ước tính thắp sáng Led giúp giảm 29% lượng điện thắp sáng Mỹ vào năm 2025, giúp hộ gia đình tiết kiệm 125 triệu đơla Quantum dot có thểian ngắn nhiều so với thời gian chuyển đổi trạng thái transistor truyền thống Hiện nay, gặp khó khăn việc thiết kế ma trận quantum dot để chúng hoạt động theo chức mà ta mong muốn Các tế bào quantum dot nhạy với nhiễu 2.3 Diode xuyên hầm cộng hưởng: (RTD) (Resonant Tunneling Diode) Diode xun hầm cộng hưởng nghiên cứu ứng dụng gần ảnh hưởng vơ to lớn có ý nghĩa đặc biệt quan trọng Cấu tạo phương thức hoạt động trình bày sau Ths NGUYỂN THỊ LƯỢNG 17 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T38 - 2008 2.3.1 Cấu trúc Diode xun hầm cộng hưởng: Diode đường hầm cộng hưởng (Resonant Tunneling Diode – RTD) linh kiện đơn cực, điểm bật RTD tồn vùng điện trở vi phân âm Trạng thái lượng kích thích thứ N + điện tử giếng eV Trạng thái lượng Các mức không thấp N + điện tử giếng bò chiếm Dải dẫn  EF  U Tiếp xúc Vùng Vùng kim loại nguồn rào Vùng đảo Trạng thái lượng thấp N điện tử giếng Tiếp xúc Vùng Vùng kim loại rào máng Bán dẫn nm Bán dẫn Bán dẫn vùng cấm rộng Bán dẫn vùng cấm hẹp Hình 2.8: Cấu trúc diode xun hầm cộng hưởng      2.3.2 Các đặc tính RTD: Tính cực nhạy (theo hàm mũ) dòng xun hầm độ rộng rào-giếng lượng tử, đặc biệt nhiệt độ nồng độ pha tạp Dưới ảnh hưởng tham số đặc trưng I-V RTD thay đổi cách nhanh chóng Đặc tính tần số cao: tốc độ cao, thích hợp cho tạo dao động, cơng tắc siêu cao tần, dải tần THz Đặc tính xun hầm cộng hưởng: Đặc trưng cấu trúc hai rào giếng lượng tử giúp ta điều khiển q trình vật lý bên tần số dao động mạch Đặc tính áp suất: Khả nhạy hiệu ứng áp suất, sử dụng hiệu ứng để đo áp lực sức căng Lợi dụng đặc trưng để chế tạo cảm biến áp suất Đặc tính chịu xạ cao: Khả hoạt động mơi trường có xạ cao, chẳng hạn ứng dụng mạch vệ tinh Ths NGUYỂN THỊ LƯỢNG 18 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T38 - 2008 2.3.3 Đặc tuyến volt-ampere: Khi xét đặc tuyến volt – ampere RTD ta ý tới xun hầm điện tử qua rào diode Dòng qua RTD cực đại mức lượng bên ngồi giếng với mức lượng giếng, lúc có di chuyển ạt điện tử bên ngồi giếng vào giếng Hình 2.9: Đặc tuyến volt – ampere giản đồ lượng RTD Từ hình vẽ ta thấy điểm A lúc điện áp V A thấp, lượng bên ngồi giếng thấp lượng bên giếng, nên khơng có dòng điện tử chạy qua mà Nếu trì tăng VA, ảnh hưởng chế nhiệt dòng bắt đầu tăng trở lại Trên hình, Ipeak dòng đỉnh sinh xun hầm điện tử, Ivalley dòng thung lũng giảm điện tử xun hầm Lúc ta quan tâm đến tỷ số Ipeak/Ivalley Và người ta mong muốn tỷ số Ipeak/Ivalley lớn tốt Vì tỷ số lớn nghĩa độ lợi lớn cho vùng điện trở vi phân âm Hơn nữa, tỷ số lớn thường ám dòng thung lũng Ivalley nhỏ Ivalley thường thường dòng rò Vì vậy, giảm I valley dẫn tới giảm cơng suất tiê có dòng nhỏ điện tử chảy qua gọi dòng rò Khi tăng điện áp VA đến lúc lượng bên ngồi bên giếng nhau, lúc xảy cộng hưởng có dòng chạy qua diode, Ipeak Rồi VA tiếp tục tăng, phía sau điểm B, khơng có điện tử rào trái xun hầm vào giếng dòng bắt đầu giảm.u tán Đường đặc trưng volt – ampere thực tế sau: T = 300k Ths NGUYỂN THỊ LƯỢNG 19 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T38 - 2008 Hình 2.10: Đường đặc trưng volt – ampere RTD nhiệt độ 300K Tuy nhiên, đường đặc trưng volt – ampere RTD khơng phải bất biến RTD khơng phải lúc hoạt động điều kiện mà phụ thuộc vào nhiều yếu tố Thực nghiệm chứng tỏ rằng: điều kiện nhiệt độ, thiên áp phân cực, đặc điểm cấu trúc tác động đáng kể tới chế độ làm việc nó, làm thay đổi đường đặc trưng volt – ampere 2.4 Transistor hiệu ứng trường ống nano cacbon (CNTFET): Với vận chuyển điện tử lỗ trống CNT, dòng điện ống nanơ carbon đơn tường điều chỉnh điện áp có đường đặc trưng V-I tương tự MOSFET Do đó, CNT đơn tường bán dẫn tích hợp linh kiện MOSFET, có chức kênh dẫn, thay cho kênh dẫn Si, gọi CNTFET, với tỉ lệ dòng cao khả cho đường đặc trưng tốt so với linh kiện Si có kích thước 2.4.1 Cấu trúc: Cấu trúc CNTFET giống với cấu trúc MOSFET, ngoại trừ kênh dẫn silicon thay ống nano carbon Tuy nhiên, xếp đặt tiếp tục thay đổi để cải tiến hoạt động linh kiện Trong phần thảo luận Ths NGUYỂN THỊ LƯỢNG 20 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T38 - 2008 cấu trúc hình học CNTFET, cấu trúc được phân loại gồm CNTFET cổng sau (back-gated CNTFET), CNTFET cổng trước (top-gated CNTFET) gần cấu trúc giới thiệu gọi CNTFET thẳng đứng (vertical CNTFET) a) CNTFET cổng sau (Back-gated CNTFET): Nhờ kỹ thuật lắng đọng ống nanơ đơn tường đa tường, khả thao tác vỏ riêng ống nanơ đa tường, người ta bắt đầu xây dựng CNTFET Vào năm 1998, Tans cộng ơng phát linh kiện ống nanơ carbon biến điệu điện cực cổng phẳng hoạt động nhiệt độ phòng, việc làm mở đầu cho nghiên cứu CNTFET sau Linh kiện CNTFET cổng sau có cấu trúc tương đối đơn giản, bao gồm ống nano carbon đơn tường hoạt động kênh dẫn, ống nanơ đặt đỉnh hai điện cực làm kim loại q (vàng platin), có chức hai điện cực nguồn máng Chất Si dùng điện cực cổng, ngăn cách với ống nanơ hai điện cực kim loại lớp SiO2 dày 100 – 200 nm Hình 2.11: Hình ảnh CNTFET cổng sau Ths NGUYỂN THỊ LƯỢNG 21 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T38 - 2008 Hình 2.12: Sơ đồ khối mặt cắt ngang CNTFET cổng sau Đây cấu trúc lúc đầu CNTFET nên đường đặc trưng tương đối xấu dòng điều khiển thấp, độ dẫn điện thấp (g=10-6 S) điện trở tiếp xúc lớn (>1MΩ) Sự khơng thuận lợi đường đặc trưng tiếp xúc ống nanơ với điện cực, ống nanơ đơn giản đặt điện cực giữ yếu lực Van der Waals Sự hoạt động linh kiện cải tiến cách tăng điện dung cực cổng (giảm bề dày lớp cách điện) tăng số điện mơi Tuy nhiên, việc tính tốn điện dung cực cổng CNTFET khác so với MOSFET Giới thiệu lớp Al2O3 bên điện cực cổng mẫu Al hạ thấp điện áp cổng tăng điện dẫn suất b) CNTFET cổng (Top-gated CNFET): Thế hệ CNTFET có cấu trúc cổng để cải tiến hoạt động linh kiện Vì thực thi cấu trúc cổng sau có tốc độ thấp giới hạn hoạt động linh kiện, đó, cấu trúc mong đợi mang đến kết tốt Cấu trúc chế tạo cách gieo ống nanơ carbon chất ơxi hóa Hình ảnh kính hiển vi lực ngun tử sử dụng để xác định ống nanơ carbon đơn sau đầu cuối cực nguồn máng làm Ti chế tạo bên ống nanơ Một màng mỏng chất điện mơi cổng dày từ 15-20nm đặt nhiệt độ 300oC qua q trình lắng đọng bay hóa học (CVD) Cuối cùng, điện cực cổng dày 50 nm lấy mẫu kỹ thuật in lithography Ths NGUYỂN THỊ LƯỢNG 22 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T38 - 2008 Hình 2.13: Hình ảnh minh hoạ cấu trúc CNTFET cổng Cấu trúc cho chất lượng tốt cấu trúc trước Việc cải tiến tỉ lệ kích thước việc chọn kiểu dáng hình học linh kiện tốt giúp cho linh kiện hoạt động tốt Chẵng hạn, điện trường tăng nhờ dạng hình học linh kiện điện trở tiếp xúc giảm nhờ việc chọn chất liệu tiếp xúc thích hợp Ngồi ra, điện áp ngưỡng thấp đáng kể so với cấu trúc cổng sau, dòng điều khiển cao nhiều điện dẫn suất cao tương đương (3.35µS ống nanơ) c) CNTFET thẳng đứng (Vertical CNFET): Sự phát triển gần tiến triển CNTFET bắt đầu CNTFET thẳng đứng Cấu trúc có cực cổng bao xung quanh đưa Choi cộng vào năm 2004 Kích thước transistor nhỏ đường kính ống nanơ carbon, tương đương với CNTFET mức tera có mật độ cỡ 1012 ngun tử cm2 CNTFET thẳng đứng chế tạo qua bước sau: Sự hình thành lỗ nanơ cách xử lý anốt, theo sau việc tổng hợp ống nanơ carbon, hình thành điện cực kim loại, lấy mẫu lắng đọng ơxít cuối hình thành điện cực cổng Silic ơxit đặt thẳng hàng với ống nanơ carbon bay súng điện tử sau hình thành lỗ trống q trình khắc axít hố học Ths NGUYỂN THỊ LƯỢNG 23 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T38 - 2008 lấy mẫu chùm điện tử Sau q trình lắng đọng ơxít silic lắng đọng cực cổng bên Cấu trúc CNTFET thẳng đứng minh hoạ Hình 2.14 Hình 2.14: Hình ảnh minh hoạ cấu trúc CNTFET thẳng đứng Trong cấu trúc này, ống nanơ carbon tiếp xúc điện với cực nguồn bên trên, cực máng bên cực cổng đặt xung quang ống nanơ Mỗi giao điểm cực nguồn máng với ống nanơ carbon đơn thẳng đứng tương ứng với transistor Số lượng ống nanơ transistor phụ thuộc vào đường kính lỗ cực cổng ơxít CNTFET thẳng đứng cho phép mật độ đóng gói cao khu vực nguồn máng xếp lên lẫn Nói cách khác, cấu trúc chiều thực tế thực linh kiện tích cực khơng bị giới hạn bề mặt chất silic đơn suốt Cụ thể hơn, chọn số liệu, ta vẽ đồ thị Nhưng với mức cổng Vg=0.5V, ZrO2 cổng Oxit, với K=25 Thế ngưỡng hoạt động cho CNTFET khoảng 0.18V-0.2V Từ 0.2V trở đi, CNTFET trạng thái dần ổn định, có thay đổi đơi chút dòng dẫn đến bão hòa Kết mơ cho đặc tuyến sau: Ths NGUYỂN THỊ LƯỢNG 24 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T38 - 2008 Hình 2.15 – Đặc tuyến Id-Vd với vật liệu nguồn – máng Au, Pt Pd chọn Thế cổng Vg=0.5V, nhiệt độ 3000K 2.5 Một số cấu trúc linh kiện phân tử: 2.5.1.Linh kiện chuyển mạch điện tử phân tử Các linh kiện chuyển mạch thường có loại tài liệu nghiên cứu sau:  Linh kiện chuyển mạch điện tử phân tử điều khiển điện trường Linh kiện bao gồm hiệu ứng lượng tử tạo từ phân tử  Linh kiện điện tử phân tử Linh kiện sử dụng áp lực, tác động bên ngồi, thường điện để thay đổi cấu tạo tính chất hóa lí chúng Ths NGUYỂN THỊ LƯỢNG 25 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T38 - 2008  Linh kiện chuyển mạch điện tử quang hoạt Linh kiện đổi màu theo ánh sáng, sử dụng tính chất quang học ánh sáng, tính chất lưỡng tính “sóng hạt” ánh sáng để làm thay đổi hình dạng, hay cấu hình điện tử phân tử để thay đổi chuyển mạch dòng  Linh kiện phân tử điện tử Linh kiện thường sử dụng phản ứng điện hóa, để làm thay đổi hình dạng, hay cấu hình điện tử phân tử để thay đổi chuyển mạch dòng a) Dây phân tử Đây vấn đề then chốt có ý nghĩa lớn với linh kiện Nano sử dụng phân tử Việc dùng phân tử hữu cơ, với xếp cấu trúc hóa học đặc trưng chúng Các phân tử vừa dẫn điện, vừa mang tính chất bán dẫn… Vì vậy, thuận lợi cho việc đóng mở mạch điện, ứng dụng cho việc chế tạo Transistor trường (FET) Cơng trình thực nghiệm Joachim cộng báo cáo, khẳng định thuyết phục phân tử dẫn dòng Hình 2.16 trình bày cấu trúc dây phân tử Tour phát Trong thí nghiệm, đầu phân tử hút bám tới bề mặt vàng (Au), đầu lại sử dụng điện cực khác mạch Hình 2.16- Cấu trúc dây phân tử, mạch Transistor đơn điện tử Chuỗi phân tử bao gồm vòng lặp, gián tiếp liên kết  kết hợp, chứng minh cho dẫn điện Cấu trúc SH đầu đóng vai trò kết nối để gắn đơn vị điện tử phân tử vào Thơng thường, dây phân tử hữu thường sử dụng như: cấu trúc vòng benzen, cấu trúc liên kết Axetylen, hay ống Nano Cacbon với cấu trúc liên kết C-C bao gồm hình lục giác Mỗi cấu trúc, sử dụng liên kết  , mặt phẳng tạo thành Ths NGUYỂN THỊ LƯỢNG 26 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T38 - 2008 cấu trúc quĩ đạo lớn, xun suốt chiều dài dây phân tử Nó cho phép điện tử linh động di chuyển, chúng dẫn điện b) Linh kiện điện tử phân tử hiệu ứng lượng tử Khi sử dụng cấu trúc phân tử để giam giữ điện tử, phải chế tạo linh kiện chuyển mạch lượng tử nhanh, thang lớn, giống rẻ tốt Vì vậy, nhà nghiên cứu đề nghị phải kết hợp giếng vào phân tử, cấu trúc siêu phân tử để giữ điện tử linh động phân tử Một số nhóm tiếp tục tiếp cận nghiên cứu vấn đề Phân tử Metylen chấm lượng tử Điện tử phân tử có mức lượng rời rạc Nối phân tử Metylen lại thành chuỗi, ta dây phân tử Điện tử chạy qua dây khơng chạy liên tục dây điện mà chạy nhảy qng, nói cách khác chạy theo kiểu đạn đạo, kiểu xung kích Tuy chạy theo kiểu đạn đạo tương đối dễ chạy qua, xem dẫn điện, ngồi dây phân tử khác, điện tử chuyển động theo kiểu tán xạ Có loại dây phân tử CH2 điện tử khó chạy qua, ngăn cách điện, có hàng rào cao Khi nối chuỗi phân tử Metylen với phân tử CH2, phân tử Etylen (Hình 2.17) Ta có cấu trúc tương tự Điốt hầm cộng hưởng Tuy nhiên, tất có kích cỡ phân tử Hình 2.17- Linh kiện Điơt hầm cộng hưởng làm từ phân tử Cho đến nay, linh động nhiều kiểu cấu trúc hữu cho nhà thiết kế nhiều biến số để tối ưu hóa thơng số đặc tuyến cho linh kiện, chứng minh gần đường hầm cộng hưởng điều khiển điện tử kết đáng quan tâm Ths NGUYỂN THỊ LƯỢNG 27 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T38 - 2008 C PHẦN KẾT LUẬN Ths NGUYỂN THỊ LƯỢNG 28 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T38 - 2008 I TÓM TẮT CÔNG TRÌNH Qua thời gian tập trung thực đề tài, người nghiên cứu thực công việc sau:  Nghiên cứu cấu trúc số linh kiện điện tử nano  Xây dựng phần mềm mơ đặc trưng I_V linh kiện RTD CNTFET II TỰ NHẬN XÉT Do giới hạn thời gian điều kiện thực đề tài, nên chắn kết đề tài không tránh khỏi hạn chế đònh Song với mà người nghiên cứu tập trung thực đề tài phần đem lại giá trò đóng góp sau: II.1 Giá trò lý luận Kết nghiên cứu đề tài này, đem lại kiến thức sở linh điện tử nano Xây dựng phần mềm mơ đặc trưng I_V số linh kiện điện từ nano nhằm phục vụ học tập nghiên cứu sinh viên, học viên cao học giáo viên có nhu cầu II.2 Giá trò thực tiễn Nội dung đề tài phần tài liệu học tập có ích cho học tập nghiên cứu sinh viên, học viên cao học giáo viên chuyên nghành điện tử Ngoài nguồn tài liệu tham khảo cho giáo viên nhà nghiên cứu có quan tâm III KẾT LUẬN Các tác giả đề tài tiến hành tổng quan số linh kiện bật gần lónh vực điện tử nanô: RTD, SET, linh kiện điện tử phân tử, CNTFET, thách thức chúng Trong khuôn khổ thời gian thực đề tài năm người nghiên cứu đưa vào đề tài số nội dung linh kiện bật kể để thực hiện, điôt đường hầm cộng hưởng RTD linh kiện thấp chiều: chấm lượng tử (QD), dây lượng tử (QW) giếng lượng tử (Qwell) Tác giả tạo nên công cụ mô linh kiện lượng tử 2D cho điôt đường hầm cộng hưởng RTD CNTFET sở GUI MATLAB Ths NGUYỂN THỊ LƯỢNG 29 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T38 - 2008 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS-TS Đinh Sỹ Hiền- Điện Tử Nanơ, Linh Kiện Và Cơng Nghệ-ĐH khoa học tự nhiên Tp.HCM- NXB ĐHQGTP.HCM, 2005 [2] Vũ Đình Cự, Nguyễn Xn Chánh-Cơng nghệ nanơ, điều khiển đến ngun tử phên tử- NXBKHKT Hà Nội 2004 [3] Rahmat B Sanudin- Characterisation of carbon nanotube field-effect transistor- University teknologi Malaysia, 11-2005 [4] Julia Van Meter Cline “Characterization of Schottky Barrier Carbon Nanotube Transistors and their Applications to Digital Circuit Design”, Brown University, 2002 [5] Jia Chen - Molecular Wires, Switches and Memories - A Dissertation of the Graduate School Of Yale University- December 2000 [6] J Guo et al., Appl Phys Lett., Vol 80, p.3192, 2002 Ths NGUYỂN THỊ LƯỢNG 30 [...]... nghiên cứu như sau:  Linh kiện chuyển mạch điện tử phân tử được điều khiển bởi điện trường Linh kiện này bao gồm các hiệu ứng lượng tử tạo từ các phân tử  Linh kiện cơ điện tử phân tử Linh kiện này sử dụng các áp lực, các tác động bên ngồi, thường bằng điện và cơ để thay đổi các cấu tạo và tính chất hóa lí của chúng Ths NGUYỂN THỊ LƯỢNG 25 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T38 - 2008  Linh kiện chuyển. .. 2008 một cấu trúc quĩ đạo lớn, xun suốt chiều dài của dây phân tử Nó cho phép các điện tử linh động di chuyển, cho nên chúng dẫn điện được b) Linh kiện điện tử phân tử hiệu ứng lượng tử Khi sử dụng cấu trúc phân tử để giam giữ điện tử, phải chế tạo các linh kiện chuyển mạch lượng tử nhanh, trên các thang lớn, càng giống và càng rẻ càng tốt Vì vậy, các nhà nghiên cứu đề nghị phải kết hợp các giếng thế vào... mạch điện tử quang hoạt Linh kiện này đổi màu theo ánh sáng, sử dụng tính chất quang học của ánh sáng, nhất là tính chất lưỡng tính “sóng hạt” của ánh sáng để làm thay đổi hình dạng, hay cấu hình điện tử của một phân tử để thay đổi chuyển mạch một dòng  Linh kiện phân tử cơ điện tử Linh kiện này thường sử dụng các phản ứng điện hóa, để làm thay đổi hình dạng, hay cấu hình điện tử của một phân tử để... giếng thế vào các phân tử, và các cấu trúc siêu phân tử để giữ các điện tử linh động của phân tử Một số nhóm đang tiếp tục tiếp cận và nghiên cứu vấn đề này Phân tử Metylen là một chấm lượng tử Điện tử trong phân tử này có những mức năng lượng rất rời rạc Nối các phân tử Metylen lại thành chuỗi, ta được dây phân tử Điện tử chạy được qua dây này nhưng khơng chạy liên tục như ở dây điện mà là chạy nhảy... dung của đề tài sẽ là một phần tài liệu học tập có ích cho học tập và nghiên cứu của sinh viên, học viên cao học và giáo viên chuyên nghành điện tử Ngoài ra cũng là một nguồn tài liệu tham khảo cho các giáo viên và các nhà nghiên cứu có quan tâm III KẾT LUẬN Các tác giả của đề tài đã tiến hành tổng quan một số linh kiện nổi bật gần đây trong lónh vực điện tử nanô: RTD, SET, linh kiện điện tử phân tử, ... CNTFET, và những thách thức của chúng hiện nay Trong khuôn khổ thời gian thực hiện đề tài là một năm cho nên người nghiên cứu chỉ đưa vào đề tài một số nội dung của những linh kiện nổi bật kể trên để thực hiện, đó là điôt đường hầm cộng hưởng RTD và các linh kiện thấp chiều: chấm lượng tử (QD), dây lượng tử (QW) và giếng lượng tử (Qwell) Tác giả đã tạo nên một công cụ mô phỏng các linh kiện lượng tử 2D... dòng và dẫn đến bão hòa Kết quả mơ phỏng cho đặc tuyến như sau: Ths NGUYỂN THỊ LƯỢNG 24 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T38 - 2008 Hình 2.15 – Đặc tuyến Id-Vd với vật liệu nguồn – máng là Au, Pt và Pd được chọn Thế cổng Vg=0.5V, nhiệt độ là 3000K 2.5 Một số cấu trúc linh kiện phân tử: 2.5.1 .Linh kiện chuyển mạch điện tử phân tử Các linh kiện chuyển mạch này thường có 4 loại trong các tài liệu nghiên. .. CÔNG TRÌNH Qua thời gian tập trung thực hiện đề tài, người nghiên cứu đã thực hiện được những công việc sau:  Nghiên cứu cấu trúc một số linh kiện điện tử nano  Xây dựng phần mềm mơ phỏng đặc trưng I_V linh kiện RTD và CNTFET II TỰ NHẬN XÉT Do giới hạn về thời gian và các điều kiện thực hiện đề tài, nên chắc chắn kết quả của đề tài không tránh khỏi những hạn chế nhất đònh Song với những gì mà người nghiên. .. với những gì mà người nghiên cứu tập trung thực hiện được trong đề tài này cũng phần nào đem lại những giá trò đóng góp sau: II.1 Giá trò lý luận Kết quả nghiên cứu của đề tài này, có thể đem lại những kiến thức cơ sở linh điện tử nano Xây dựng phần mềm mơ phỏng đặc trưng I_V của một số linh kiện điện từ nano nhằm phục vụ học tập và nghiên cứu của sinh viên, học viên cao học và giáo viên có nhu cầu II.2... cho sự dẫn điện Cấu trúc SH ở các đầu đóng vai trò kết nối để gắn các đơn vị điện tử phân tử vào nền Thơng thường, các dây phân tử hữu cơ thường sử dụng như: cấu trúc vòng benzen, cấu trúc liên kết Axetylen, hay ống Nano Cacbon với cấu trúc liên kết C-C bao gồm các hình lục giác Mỗi cấu trúc, sử dụng các liên kết  , trên và dưới mặt phẳng tạo thành Ths NGUYỂN THỊ LƯỢNG 26 Đề tài nghiên cứu khoa học