Hình 1.45 là phác thạo transisor keđnh phađn tử tređn cơ sở cụa Hình 1.1 có tính đên kích thước trong khođng gian ba chieău.
Hình 1.45: Các tham sô đaịc trưng cụa transistor phađn tử
Maơt đoơ tráng thái D(E) được xác định theo bieơu thức [34, tr. 24] ( )E mcWL (E EC)
Trong đó, D(E) là maơt đoơ tráng thái tređn moơt đơn vị dieơn tích cụa keđnh dăn đôi dieơn với cực coơng. mc là khôi lượng hieơu dúng cụa đieơn tử. W là đoơ roơng cụa keđnh. L là đoơ dài cụa keđnh. υ(E-EC) là hàm bước đơn vị. υ = 1 khi E-EC≥ 0 và υ
nhaơn giá trị 0 khi E-EC < 0. Tôc đoơ thoát có theơ được viêt dưới giạ thiêt raỉng các đieơn tử được di chuyeơn khỏi đieơn cực với vaơn tôc υR(có phaăn giông như vaơn tôc tái hợp beă maịt).
L
R/ 2
1 γ υ
γ = =h (1.48)
Trong trường hợp keđnh dăn cụa transistor nanođ có câu trúc phức táp (goăm nhieău nguyeđn tử), vùng dăn chứa nhieău mức naíng lượng (Hình 1.46) thì vieơc tính toán dòng đieơn cháy qua transistor có sự thay thê các đái lượng trong bieơu thức sử dúng như ở Bạng 1.1.
Bạng 1.1: Các đái lượng thay thê đeơ tính IDS từ moơt mức naíng lượng mở roơng sang nhieău mức naíng lượng mở roơng
Trong trường hợp này, phương trình đaịc trưng I-V sẽ rât phức táp. Vieơc giại phương trình đaịc trưng này cho những câu trúc keđnh dăn baỉng vaơt lieơu cú theơ đang được nhieău nhóm nghieđn cứu veă đieơn tử nanođ tređn thê giới quan tađm.
Đái lượng Thay thê
Mức naíng lượng ε Ma traơn Hamilton [ ]H
Naíng lượng γ1,2 Ma traơn mở roơng [Γ1,2( )E]
Maơt đoơ tráng thái2π D ( )E Hàm phoơ [A( )E ]
(E )
n
π
2 Hàm tương quan [Gn( )E]
Naíng lượng đieơn thê U Ma traơn naíng lượng đieơn thê tự tương thích [ ]U
Chương 2
TRANSISTOR PHAĐN TỬ VÒNG BENZENE 2.1. XAĐY DỰNG MĂU TRANSISTOR PHAĐN TỬ
Transistor có kích thước ở dại nanođmét với cở sở lý thuyêt như đã trình bày ở múc 1.2.5 cụa Chương 1 được áp dúng cho keđnh dăn là các nguyeđn tử, phađn tử hoaịc dađy phađn tử. Hình 2.1 là đeă xuât câu trúc và vaơt lieơu làm keđnh dăn cho transistor trong nghieđn cứu này.
Keđnh dăn là phađn tử vòng benzene lieđn kêt 1- 4 với các nguyeđn tô thuoơc nhóm Halogen. Tính chât cụa vaơt lieơu làm keđnh dăn phại thỏa mãn các đieău kieơn lý thuyêt đã trình bày ở Chương 1. Đieău kieơn tieđn quyêt là các mức naíng lượng phại xác định được và phađn thành ba vùng rõ reơt. Naíng lượng vùng câm chính là hieơu sô giữa mức LUMO và mức HOMO.
- Phađn tử làm keđnh dăn phại có kích thước xác định được trong khođng gian ba chieău bởi đó là những tham sô caăn thiêt ở phương trình tính dòng IDS. Vieơc đo kích thước phađn tử trong đeă tài này được thực hieơn qua phaăn meăm mođ phỏng hóa hĩc CAChe.
Hình 2.1: Câu trúc transistor keđnh phađn tử vòng benzene lieđn kêt 1-4 với các nguyeđn tô thuoơc nhóm Halogen
- Phađn tử có ba caịp lieđn kêt gép đođi đôi xứng veă hai phía với các nguyeđn tử Vàng ở hai đieơn cực D và S đeơ đạm bạo định xứ tôt trong keđnh dăn. Các nguyeđn tô thuoơc nhóm Halogen có bạy đieơn tử vành ngoài (Hình 2.2) trong đó moơt đieơn tử lieđn kêt gép đođi với Cacbon ở vòng benzene, sáu đieơn tử còn lái táo neđn ba caịp lieđn kêt gép đođi với ba nguyeđn tử Vàng ở đieơn cực. Đieău kieơn lieđn kêt này được kieơm chứng baỉng vieơc thiêt kê các phađn tử và tôi ưu hóa trong phaăn meăm mođ phỏng hóa hĩc CAChe.
Hình 2.2: Các nguyeđn tô F, Cl, Br, I thuoơc nhóm Halogen trong bạng tuaăn hoàn các nguyeđn tô hóa hĩc [22]
- Thê đieơn hóa cụa Vàng trong câu trúc ở hai đieơn cực D và S vào khoạng – 5,3 eV [14] (các nghieđn cứu khác nhau tređn thê giới đeău lây thê đieơn hóa cụa Vàng naỉm trong khoạng – 4,8 eV đên - 5, 3 eV).
- Cực coơng G được cách đieơn với keđnh phađn tử baỉng moơt màng mỏng SiO2 có đoơ dày là t. Haỉng sô đieơn mođi cụa SiO2 trong nghieđn cứu này lây giá trị baỉng 4. Các phađn tử làm keđnh dăn ở đađy sau khi tôi ưu hóa câu trúc và lây hình bao theo lực van der Waals đeău có dáng hình đĩa baău dúc neđn cực G được chĩn đôi dieơn với moơt maịt đĩa nhaỉm taíng giá trị tú CG tức là taíng khạ naíng đieău khieơn cụa VG leđn IDS. Moơt cách gaăn đúng, đieơn dung cụa tú CG được tính từ kích thước bạn tú xem như có dáng hình chữ nhaơt với cánh dài L và đoơ roơng W.
t WL CG 4ε0
= (2.1)
Các kích thước đaịc trưng cụa keđnh dăn trong transistor bao goăm L (đoơ dài),
W (đoơ roơng), H (đoơ cao). Kích thước dài L, roơng W và cao H cụa phađn tử tính theo lực van der Waals được đo ngay trong phaăn meăm mođ phỏng hóa hĩc khi thiêt kê chính phađn tử đó.
2.2. CÁC THAM SÔ CỤA VAƠT LIEƠU LÀM KEĐNH DĂN 2.2.1. Tham sô toơng quát 2.2.1. Tham sô toơng quát
Các phađn tử C6H4F2, C6H4Cl2, C6H4Br2, C6H4I2, đeău có ba dáng lieđn kêt giữa các nguyeđn tử nhóm Halogen với vòng benzene là 1-4 (lieđn kêt đôi xứng), 1-3, 1-2 (Hình 2.3). Veă maịt lịch sử, đađy là những hợp chât đã được các nhà hóa hĩc tređn thê giới nghieđn cứu toơng hợp, phađn tích tính chât hóa lý moơt cách đaăy đụ từ 1991 trở veă trước. Các tráng thái vaơt chât cụa phađn tử và nhieơt đoơ chuyeơn pha được theơ hieơn tređn Bạng 2.1.
Bạng 2.1: Nhieơt đoơ chuyeơn các tráng thái raĩn – lỏng – khí cụa các chât [35]
Chât lieơu
Chuyeơn pha C6H4F2 C6H4Cl2 C6H4Br2 C6H4I2 Pha raĩn -> Pha lỏng 249,45 K 326,1 K 360 K 402 K Pha lỏng -> Pha khí 361 K 447,3 K 491,7 K 558,2 K
Do keđnh phađn tử yeđu caău lieđn kêt đôi xứng với đieơn cực D và S neđn chư có kieơu câu trúc 1,4 là thỏa mãn yeđu caău đaịt ra. Chính vì lý do đó, chúng ta tiêp túc đi sađu nghieđn cứu veă câu trúc này đeơ lây các tham sô cho chương trình mođ phỏng transistor phađn tử.
2.2.2. Phaăn meăm mođ phỏng hóa hĩc CAChe
Ngày nay, nhờ áp dúng tiên boơ cụa tin hĩc vào hóa hĩc lượng tử, các phađn tử vòng benzene lieđn kêt 1-4 với các nguyeđn tô thuoơc nhóm Halogen được tính toán các tham sô chính xác hơn, đaăy đụ hơn, mođ phỏng câu trúc 3D moơt cách trực quan hơn. Hieơn tái, tređn thê giới có nhieău phaăn meăm mođ phỏng hóa hĩc. Trong đeă tài này, tác giạ chĩn CAChe bởi đađy là phaăn meăm được Phòng thí nghieơm Cođng ngheơ nanođ cụa Đái hĩc Quôc gia Thành phô Hoă Chí Minh hieơn
đang sử dúng đeơ giạng dáy và nghieđn cứu. Phaăn meăm mođ phỏng hóa hĩc CAChe được xađy dựng từ 1989 bởi Oxford Molecular Limited. Từ naím 2000, Fujitsu Limited tiêp túc phát trieơn cho đên ngày nay.
Phaăn meăm mođ phỏng hóa hĩc CAChe cho phép thiêt kê các phađn tử và tôi ưu hóa câu trúc, kieơm tra lieđn kêt electron, xác định kích thước phađn tử, các mức naíng lượng và maơt đoơ mức trong dại. Đađy là những tham sô caăn thiêt đeơ giại phương trình dòng IDS, từ đó vẽ neđn đoă thị đaịc trưng dòng - thê cụa transistor phađn tử.
2.2.3. Các tham sô cụa phađn tử làm keđnh dăn xác định trong CAChe
Mở moơt cửa soơ ChemicalSample trong CAChe và dùng các cođng cú đeơ thiêt kê moơt vòng benzene roăi gaĩn hai nguyeđn tử cụa moơt trong sô các nguyeđn tô thuoơc nhóm Halogen vào vị trí 1,4. Dùng menu: Experiment chĩn New đeơ vào hoơp thối mới. Trong hoơp thối này, tiêp túc chĩn Property: Optimized geometry roăi nhâp chuoơt vào nút Start đeơ tôi ưu hóa câu trúc phađn tử và được kêt quạ như Hình 2.4. Các phađn tử đeău có tính đôi xứng.
Hình 2.4: Câu trúc phađn tử sau khi tôi ưu hóa a) C6H4F2, b) C6H4Cl2, c) C6H4Br2, d) C6H4I2
Trở lái menu View chĩn Show Electrons ta kieơm tra được đieău kieơn ba caịp đieơn tử lieđn kêt gép đođi moêi phía từ các nguyeđn tử thuoơc nhóm Halogen như Hình 2.5.
Từ menu: Experiment chĩn New và cháy chương trình tính các múc trong hoơp thối Property: UV-visible transitions, HOMO & LUMO, All molecular orbitals, van der Waals surface… Các kêt quạ được đieău khieơn tự đoơng nhớ vào file dữ lieơu trong cùng thư múc với file *.csf (phađn tử mà ta đã thiêt kê).
Rât nhieău tham sô Vaơt lý và Hóa hĩc cụa phađn tử được cung câp sau khi cháy chương trình trong hoơp thối Property. Đeơ tính dòng IDS cụa transistor phađn tử caăn xác định được vùng hóa trị, vùng câm thođng qua chư sô mức naíng lượng thâp nhât trong vùng dăn - Lowest Unoccupied Molecular Orbital (LUMO) và mức naíng lượng cao nhât trong vùng hóa trị - Highest Occupied Molecular Orbital (HOMO). Vùng dăn được xác định qua LUMO, LUMO+1, … LUMO+5 và các mức LUMO tiêp theo. Ngoài ra chúng ta caăn xem xét maơt đoơ mức trong moêi LUMO và sô mức trong đó. Tuy nhieđn, giới hán tređn cụa vùng dăn chính là mức 0 eV. Các mức naíng lượng cao hơn mức khođng ta coi như các đieơn tử (nêu có) trong đó là chuyeơn đoơng tự do đôi với phađn tử. Đaịc trưng IDS cụa transistor phađn tử khođng xét tới các mức naíng lượng > 0eV. Khi xem xét các tham sô mức
naíng lượng do CAChe cung câp ta thây có khạ naíng choăng chât các mức cụa các dại trong vùng dăn. Tuy nhieđn, sai sô này khođng ạnh hưởng leđn dáng đường đaịc trưng mà chư gađy neđn sai sô giá trị dòng bão hòa mà thođi.
Sau khi cháy chương trình với các múc caăn thiêt ta gĩi bạng sô lieơu từ menu “Analyze”. Bạng sô lieơu “Chemical Properties Spreadsheet” cung câp nhieău thođng tin veă phađn tử (Hình 2.7). Chĩn Molecular Orbitals tređn thanh cođng cú ở dưới màn hình ta có trị sô các mức naíng lượng tương ứng với sô đieơn tử đã có tređn đó. Hai mức naíng lượng lieđn tiêp đã có hai đieơn tử và chưa có đieơn tử chính là HOMO và LUMO. Chúng ta cũng có thođng tin này baỉng hình ạnh và sô lieơu nêu vào menu “Analyze” chĩn Show Surfaces. Trong hoơp thối Displayed Surfaces chĩn sô quỹ đáo tương ứng với mức caăn xem xét. Ở phađn tử C6H4Cl2, nêu chĩn MO22 ta được kêt quạ như Hình 2.8.
Hình 2.6: Hoơp thối đeơ cháy chương trình tính các mức naíng lượng trong phaăn meăm mođ phỏng hóa hĩc CAChe
Chọn “Atoms” tređn thanh cođng cú cụa bảng số liệu ta có thođng tin veă “LUMO Density”, đó chính là maơt đoơ mức do các nguyeđn tử trong phađn tử gađy ra.
Hình 2.8: Mức LUMO tređn ạnh phađn tử ở tráng thái tương ứng
Hình 2.7: Sô lieơu veă Molecular Orbitals cung câp cho thođng tin các mức naíng lượng. Bạng sô lieơu Atoms cung câp thođng tin veă maơt đoơ mức
Chọn “Sleter Basis Functions” tređn thanh cođng cụ của bảng số liệu ta có thođng tin về sô mức naíng lượng trong dại (Hình 2.9). Để đđo kích thước phađn tử
ngay trong giao diện của CAChe ta cần chạy chương trình ở Property: van der
Hình 2.9: Xác định sô mức naíng lượng trong dại
Waals surface và lấy kết quả từ menu “Analyze” với mục “Show Surfaces…”. Từ đađy, thực hiện thao tác đo ba kích thước dài, rộng, cao của phađn tử.
Kêt quạ đo cho thây có sự lượng tử hóa kích thước phađn tử (Hình 2.11). Chính vì vaơy, khi tính dòng IDS cụa transistor phađn tử caăn phại xét ạnh hưởng cụa hieơu ứng này leđn hĩ đáp trưng dòng - thê.
Baỉng cách làm tương tự như vaơy, ta có bạng sô lieơu cho cạ bôn phađn tử vòng benzene lieđn kêt 1-4 với bôn nguyeđn tô thuoơc nhóm Halogen (Fluorine, Chlorine, Bromine, Iodion). Nguyeđn tô thứ naím thuoơc nhóm Halogen là Astatine có tính phóng xá neđn khođng xem xét trong đeă tài này. Nêu coi kích thước phađn tử là giới hán beă maịt đẳng trị theo lực van der Waals thì cạ bôn phađn tử đeău có dáng hình đĩa. Maịt caĩt theo chieău roơng như moơt bođng hoa sáu cánh.
Bạng 2.2: Các tham sô phađn tử caăn thiêt cho vieơc tính dòng IDS xác định được qua phaăn meăm mođ phỏng hóa hĩc CAChe [4]
Phađn tưû
Tham sô C6H4I2 C6H4Br2 C6H4F2 C6H4Cl2 LUMO+4 2,361eV 2,216eV 2,113eV 2,292eV LUMO+3 -0,065eV -0,182eV 2,060eV 1,330eV LUMO+2 -0,140eV -0,202eV 2,042eV 1,294eV LUMO+1 -0,484eV -0,295eV -0,295eV -0,052eV LUMO -0,653eV -0,318eV -0,332eV -0,243eV HOMO -8,947eV -9,869eV -9,870eV -9,235eV Sô mức naíng
lượng / vùng dăn 49 49 24 24
Đoơ cao H 0,3530 nm 0,3803 nm 0,3839 nm 0,3366 nm Đoơ dài L 1,0321 nm 1,0025 nm 0,7957 nm 0,9340 nm Đoơ roơng W 0,6637 nm 0,6714 nm 0,6782 nm 0,6696 nm
2.2.4. Lieđn kêt cụa phađn tử với nguyeđn tử Vàng ở đieơn cực D và S
Các phađn tử C6H4F2, C6H4Cl2, C6H4Br2, C6H4I2 đeău có ba caịp đieơn tử lieđn kêt ghép đođi moêi phía. Ta có theơ dùng phaăn meăm hóa hĩc CAChe đeơ mođ phỏng sự lieđn kêt này và xem xét ạnh hưởng cụa các nguyeđn tử Vàng leđn các mức naíng lượng trong phađn tử làm keđnh dăn. Kêt quạ tređn Hình 2.12 cho thây, sau khi lieđn kêt với Vàng và tôi ưu hóa, câu trúc phađn tử làm keđnh dăn khođng bị biên dáng. Chính vì lý do đó, nêu ta kieơm tra beă maịt đẳng trị lực van der Waals thì kích thước ba chieău cụa phađn tử văn khođng thay đoơi. Sô lieơu tređn Bạng 2.3 cho kêt quạ là khođng tìm thây ạnh hưởng cụa các nguyeđn tử Vàng leđn mức naíng lượng cụa phađn tử làm keđnh dăn. Tređn cơ sở đó, vieơc laơp trình tính dòng IDS cụa transistor có theơ sử dúng các kêt quạ ở Bạng 2.2.
Hình 2.12: Phađn tử C6H4F2 lieđn kêt với Vàng ở ba hướng quan sát khác nhau Bạng 2.3: Kêt quạ tính toán cho thây các tham sô naíng lượng cụa phađn tử khođng
Kêt quạ thiêt kê và tính toán các tham sô kích thước, mức naíng lượng cụa các phađn tử C6H4Br2, C6H4F2, C6H4Cl2, C6H4I2 theơ hieơn qua hình ạnh và bieơu bạng được trình bày ở Phú lúc B.
2.3. SỬ DÚNG GUI TRONG MATLAB ĐEƠ MOĐ PHỎNG TRANSISTOR PHAĐN TỬ PHAĐN TỬ
2.3.1. Táo Slider đeơ nhaơp sô lieơu
Yêu tô quan trĩng nhât đeơ đánh giá khạ naíng ứng dúng cụa moơt transistor là xác định hĩ đaịc trưng dòng - thê theo phương trình
( DS)U const DS G U f I = = (2.2)
Ở transistor phađn tử, IDS còn phú thuoơc vào nhieơt đoơ, kích thước và các tham sô naíng lượng cụa keđnh dăn. Vì lý do đó, vieơc chĩn GUI trong MATLAB đeơ thiêt kê giao dieơn mođ phỏng là rât phù hợp. Các tham sô caăn khạo sát được xử lý thođng qua các Slider neđn vieơc thay đoơi thực hieơn rât nhanh chóng và chính xác. Giao dieơn mođ phỏng cho ta moơt cách nhìn trực quan hơn đeơ hieơu được những vân đeă thuoơc veă bạn chât, câu táo cụa transistor trong khi cođng ngheơ chê táo ra nó caăn phại moơt thời gian nữa. Có bôn Slider được táo ra trong giao dieơn mođ phỏng transistor phađn tử ở đeă tài này.
- Slider “Đoơ dài keđnh dăn L” cho phép thay đoơi kích thước theo đúng như sự lượng tử hóa tham sô này khi thực hieơn đo trong phaăn meăm mođ phỏng hóa hĩc CAChe.
- Slider “Đoơ roơng keđnh dăn W” đeơ thay đoơi kích thước roơng theo sáu mức như kêt quạ đo trong CAChe.
- Slider “Thê coơng Vg” đeơ chĩn đieơn áp đieău khieơn transistor nhaỉm vẽ neđn nhieău đường đoă thị táo neđn moơt hĩ đường đaịc trưng dòng - thê. Các MOSFET hieơn nay thường dùng đieơn áp đieău khieơn VG vào khoạng 0 đên 0,5V. Đeơ xem xét tính tương đương cụa nguoăn tín hieơu vào giữa MOSFET với transiator phađn tử, chương trình mođ phỏng chĩn giá trị VG thay đoơi được trong khoạng neđu tređn.