Phaăn meăm hóa hĩc cho ta hình dáng 3D cụa phađn tử. Kích thước cụa phađn tử trong đeă tài này được tính theo lực van der Waals. Phép đo kích thước được thực hieơn ngay trong phaăn meăm thiêt kê phađn tử neđn phaăn nào hán chê được sai sô. Tuy nhieđn, trong lý thuyêt transistor phađn tử, ta đã coi keđnh dăn như là moơt khôi chữ nhaơt. Thực tê mođ phỏng cho thây kích thước cụa phađn tử trong đeă tài này được tính theo lực van der Waals có hình bođng hoa và beă maịt khođng hoàn toàn phẳng. Chính vì vaơy, đieơn dung tương đương sẽ gađy neđn sai sô nhât định nhưng đieău cơ bạn là nó khođng làm thay đoơi dáng đaịc trưng mà ta đã xác định được. Đieơn dung cụa tú đieơn tương đương được tính theo cođng thức như cụa tú đieơn thođng thường.
t WL C r G ε ε0 = (3.1)
Trong đó, W là đoơ roơng, L là đoơ dài cụa keđnh phađn tử, t là đoơ dày cụa lớp đieơn mođi cách ly cực coơng với keđnh phađn tử.
Hình 3.7: Dùng CAChe đeơ đo kích thước phađn tử C6H4F2
Đieău đaịc bieơt lưu ý khi đo kích thước phađn tử là sự lượng tử hóa kêt quạ có được. Ở đieău kieơn maịc nhieđn, các tham sô kích thước luođn có kêt quạ trong moơt khoạng nhât định và chia làm 6 bước. Vì vaơy, veă maịt cođng ngheơ có theơ táo neđn keđnh transistor phađn tử có kích thước đoăng nhât hay khođng đang là vân đeă cụa tương lai. Đeơ xét sai sô kích thước dài hay roơng cụa phađn tử leđn đaịc trưng ta cũng có theơ thực hieơn trong chương trình *.m file hay *.fig file. Baỉng vieơc thiêt kê hai Slider thay đoơi kích thước roơng và dài trong chương trình *.fig file đeơ khạo sát ạnh hưởng cụa hieơu ứng lượng tử veă kích thước leđn đaịc trưng I - V cụa transistor được thực hieơn nhanh hơn, chính xác và phù hợp với kêt quạ đo trong phaăn meăm mođ phỏng hóa hĩc CAChe. Muôn có trị sô kích thước đúng như kêt
quạ đã đo được ta caăn khai báo các tham sô ứng với các múc trong Property Inspector trong cụa Slider tương ứng như Hình 3.8.
Hình 3.8: Khai báo 3 múc trong Property Inspector cụa Slider “Đoơ roơng W” 3.3.2. Ạnh hưởng cụa sự lượng tử hóa kích thước dài cụa phađn tử leđn đaịc
trưng dòng - thê
Khi thay đoơi kích thước dài với bước nhạy trong khoạng xác định đôi với phađn tử làm keđnh dăn C6H4F2 thì đường đoă thị khođng thay đoơi. Như chúng ta đã biêt, đoơ dăn cực đái tređn moơt mức naíng lượng được tính theo bieơu thức (3.2) là moơt haỉng sô.
( )1 2
0 =q h=38,7 S = 25,8kΩ −
G µ (3.2)
Trong khi đó, kích thước dài cụa phađn tử làm keđnh dăn khođng làm thay đoơi sô mức naíng lượng tham gia vào quá trình táo neđn dòng IDS. Maịt khác, với sự thay đoơi kích thước là rât ngaĩn neđn khođng gađy neđn hieơn tượng treê cụa sự vaơn chuyeơn đieơn tích trong keđnh. Với kêt quạ này cho chúng ta thây sai sô chê táo veă kích thước dài cụa moơt keđnh roêng với hai đieơn cứ D và S trước khi đaịt phađn tử vào vị trí đó là khođng quan trĩng khi nó naỉm trong khoạng cho phép. Hình 3.9 là đoă thị đaịc trưng dòng – thê khi thay đoơi kích thước dài ở bạy giá trị khác nhau baỉng Slider “Đoơ dài keđnh dăn L”. Kêt quạ cho thây các đường đoă thị choăng đúng leđn nhau neđn ta có cạm giác như chương trình khođng cháy. Đeơ deê nhaơn thây hơn ta caăn cháy chương trình trong *m file và thực hieơn thay đoơi màu nét vẽ moêi khi thay đoơi kích thước dài cụa keđnh phađn tử moơt cách tương ứng.
Hình 3.9: Khạo sát ạnh hưởng cụa sự lượng tử hóa kích thước dài phađn tử C6H4Cl2 leđn đaịc trưng dòng - thê cụa transistor ở nhieơt đoơ 313 K, thê coơng 0.3 V,
kích thước roơng 0.6918 nm
Bạng 3.1 là kích thước dài L và roơng W cụa keđnh phađn tử C6H4Cl2 xác định theo giới hán cụa lực van der Waals. Kêt quạ có được từ phép đo ngay trong giao dieơn thiêt kê chính phađn tử đó và đã được tôi ưu hóa.
Bạng 3.1: Giá trị các bước thay đoơi đoơ dài L và đoơ roơng W cụa phađn tử C6H4Cl2
Dài L (nm) 0,8405 0,8716 0,9027 0,9339 0,9650 0,9962 1,0273 Roơng W (nm) 0,6026 0,6249 0,6472 0,6695 0,6918 0,7142 0,7365
3.3.3. Ạnh hưởng cụa sự lượng tử hóa kích thước roơng của phađn tử leđn đaịc trưng dòng - thê
Khi thay đoơi kích thước roơng cụa keđnh phađn tử baỉng Slider “Đoơ roơng keđnh dăn W” ta thây các đường đoă thị thay đoơi tương ứng (Hình 3.10). Đoơ roơng keđnh dăn giạm thì đường đoă thị há thâp xuông nhưng văn giữ nguyeđn dáng vùng có đoơ dôc lớn cũng như vùng bão hòa. Đieău này cho thây, nêu cođng ngheơ chê táo transistor phađn tử khođng làm được đoăng nhât veă kích thước roơng cụa keđnh dăn thì có gađy neđn sai sô veă heơ sô khuêch đái nhưng khođng heă phá vỡ tính chât cụa transistor.
Hình 3.10:Khạo sát ạnh hưởng cụa sự lượng tử hóa kích thước roơng phađn tử C6H4Cl2 leđn đáp trưng dòng - thê cụa transistor ở nhieơt đoơ 313 K, thê coơng 0.3V,
Sở dĩ kích thước roơng cụa keđnh phađn tử có ạnh hưởng leđn đaịc trưng dòng - thê là do các mức naíng lượng được xét trong khođng gian ba chieău. Moơt mức naíng lượng trong khođng gian hai chieău sẽ trở thành moơt “tâm lưới nhieău tráng thái cùng mức naíng lượng” trại theo chieău kích thước roơng W cụa phađn tử (Hình 3.11).
Hình 3.11: Mođ tạ tâm lưới tráng thái cùng mức naíng lượng theo chieău roơng cụa phađn tử
Giao dieơn chính cụa chương trình mođ phỏng transistor phađn tử vòng benzene lieđn kêt 1-4 với các nguyeđn tô thuoơc nhóm Halogen (Hình 3.2) có code MATLAB được trình bày ở Phú lúc A1. Code MATLAB cụa chương trình mođ phỏng transistor keđnh phađn tử C6H4F2 được trình bày ở Phú lúc A2. Code MATLAB cụa chương trình mođ phỏng transistor keđnh phađn tử C6H4Cl2 được trình bày ở Phú lúc A3. Code MATLAB cụa chương trình mođ phỏng transistor keđnh phađn tử C6H4Br2 được trình bày ở Phú lúc A4. Code MATLAB cụa chương trình mođ phỏng transistor keđnh phađn tử C6H4I2 được trình bày ở Phú lúc A5.
3.3.4 Kêt quạ mođ phỏng transistor keđnh phađn tử C6H4Br2
Hình 3.12. Ạnh hưởng kích thước dài cụa phađn tử C6H4Br2 leđn đaịc trưng I – V
Hình 3.14. Hĩ đaịc trưng dòng - thê cụa transistor keđnh phađn tử C6H4Br2
Hình 3.15. Ạnh hưởng cụa nhieơt đoơ leđn đaịc trưng dòng - thê cụa transistor keđnh phađn tử C6H4Br2
Kêt quạ khạo sát đaịc trưng dòng - thê thođng qua các tham sô kích thước, thê coơng, nhieơt đoơ cụa các lối transistor keđnh phađn tử vòng benzene lieđn kêt 1-4 với các nguyeđn tô thuoơc nhóm Halogen còn lái được trình bày ở Phú lúc C.
Nhìn chung, các tham sô gađy ạnh hưởng leđn đaịc trưng cụa cạ bôn lối transistor đã khạo sát có tính tương tự nhưng mức đoơ thì khác nhau. Xét cùng moơt giá trị nguoăn nuođi VDS, nhieơt đoơ T và thê coơng VG thì IDS cụa bôn lối transistor khác nhau rõ reơt.
Hình 3.16: So sánh dòng IDS cụa các transistor dùng keđnh phađn tử khác nhau
Keđnh phađn tử có nhieău mức naíng lượng trong vùng dăn thì dòng IDS sẽ lớn hơn. Trong trường hợp có cùng sô mức naíng lượng trong vùng dăn thì phađn tử có kích thước roơng W lớn hơn sẽ có dòng IDS lớn hơn. Nêu thiêt kê mách khuêch đái thì transistor keđnh phađn tử C6H4I2 có khạ naíng cung câp cođng suât cho phú tại là lớn nhât; tiêp theo là transistor keđnh phađn tử C6H4Br2; và cuôi cùng là transistor keđnh phađn tử C6H4Cl2, (IDSI > IDSBr > IDSF > IDSCl ). Có theđm hai phađn tử Dithio-p- benzoquinone (C6H4S2) và p-Benzoquinone (C6H4O2) có tham sô naíng lượng phù hợp với câu trúc transitor như trong nghieđn cứu này nhưng phađn cực ađm. Vân đeă này đã được tác giạ trình bày trong báo cáo tái Hoơi thạo quôc tê AMSN2008.
3.4. ĐEĂ XUÂT VEĂ MAỊT THỰC NGHIEƠM
Lý thuyêt transistor phađn tử được xađy dựng tređn cơ sở Toán hĩc, Vaơt lý lượng tử và Tin hĩc rât chaịt chẽ. Tuy nhieđn, kêt quạ mođ phỏng lối transistor phađn tử vòng benzene lieđn kêt 1-4 với các nguyeđn tô thuoơc nhóm Halogen phú thuoơc vào các tham sô được xác laơp từ phaăn meăm mođ phỏng Hóa hĩc CAChe. Kêt quạ mođ phỏng các transistor phađn tử này cho thây dáng đường đaịc trưng tái UG = 0 V có cùng dáng với các giá trị UG từ 0,1 V đên 0,5 V. Các phađn tử C6H4F2; C6H4Cl2; C6H4Br2 ở các tráng thái khí, lỏng, raĩn trong dại nhieơt đoơ khođng quá cao cũng như quá thâp neđn deê có khạ naíng kieơm chứng baỉng thực nghieơm. Hình 3.17 là đeă xuât cụa tác giạ. Ta hãy dùng moơt kính hieơn vi đường haăm có đaău kim và đê được má Vàng. Đieău chưnh cho khoạng cách giữa đaău kim và đê baỉng kích thước dài trung bình cụa phađn tử như Bạng 2.2.
Hình 3.17: Đeă xuât thực nghieơm đeơ kieơm chứng kêt quạ mođ phỏng transistor keđnh phađn tử C6H4F2
Baĩt moơt trong sô bôn lối phađn tử đã khạo sát tređn vào vị trí giữa đaău kim và đê. Do dòng IDS đã được khạo sát khođng ạnh hưởng bởi kích thước dài cụa phađn tử neđn những sai sô veă khoạng cách cụa đaău kim với đê trong khoạng cho phép như Bạng 3.1 đôi với C6H4Cl2 là khođng quan trĩng. Đieău chưnh thê cung câp đeơ đo dòng đường haăm qua phađn tử.
Như moơt sô nhà nghieđn cứu đã nhaơn định [5], các linh kieơn đieơn tử nanođ mà cú theơ là transistor phađn tử có theơ được chê táo trong các phòng thí nghieơm hóa hĩc.
KÊT LUAƠN
Từ lý thuyêt transistor phađn tử cùng phaăn meăm mođ phỏng hóa hĩc CAChe và MATLAB, tác giạ đã mođ phỏng và nghieđn cứu chi tiêt lối transistor phađn tử có câu trúc như cụa MOSFET truyeăn thông, trong đó, keđnh dăn là các phađn tử C6H4F2; C6H4Cl2; C6H4Br2; C6H4I2. Kích thước cụa lối transistor này ở dại nanođmét. Moêi transistor với keđnh dăn baỉng các phađn tử neđu tređn đeău được khạo sát ạnh hưởng cụa các yêu tô lieđn quan nhaỉm đánh giá khạ naíng ứng dúng cụa nó và là cơ sở đeơ kieơm chứng veă maịt thực nghieơm trong tương lai.
1. Phaăn meăm mođ phỏng hóa hĩc CAChe đã được tác giạ sử dúng đeơ thiêt kê các phađn tử C6H4F2; C6H4Cl2; C6H4Br2; C6H4I2 và tôi ưu hóa câu trúc. Từ đađy, tác giạ đã xác định được các tham sô caăn thiêt: kích thước, mức naíng lượng đáp ứng đaăy đụ vieơc cháy chương trình tính dòng IDStrong MATLAB.
2. Trong lúc chờ đợi sự tiên boơ veă maịt cođng ngheơ đeơ táo ra moơt transistor phađn tử như đã được mođ phỏng trong luaơn án thì nhu caău veă hĩc taơp, nghieđn cứu, nađng cao đoơ chính xác cụa các sô lieơu cho lối linh kieơn này là rât chính đáng và caăn thiêt. Chính vì vaơy, tác giạ đã táo neđn hai định dáng file tính dòng IDS
khác nhau. Các chương trình tính dòng IDS dưới định dáng *.m file cho phép so sánh kêt quạ khạo sát các transistor với vaơt lieơu keđnh dăn khác nhau tređn cùng moơt heơ trúc tĩa đoơ.
3. Tác giạ đã sử dúng GUI trong MATLAB đeơ thiêt kê moơt giao dieơn đoă hĩa nhaỉm mođ tạ câu trúc cụa transistor, hieơn thị các tham sô cơ bạn cụa phađn tử và khạo sát hĩ đaịc trưng dòng - thê DS ( DS)U const
G U f I
=
= dưới ạnh hưởng cụa sự lượng tử hóa kích thước, thay đoơi nhieơt đoơ, thay đoơi thê coơng thođng qua các Slider.
4. Nhaỉm đơn giạn hóa và thực hieơn chính xác, nhanh chóng bước nhaơp sô lieơu, tác giạ đã sử dúng GUI cụa MATLAB (định dáng *.fig file) đeơ táo neđn moơt giao dieơn có tính trực quan nhaỉm khạo sát lối transistor này thođng qua toơ hợp chaơp cụa 5 yêu tô:
a) Vaơt lieơu làm keđnh dăn tùy chĩn từ các phađn tử C6H4F2, C6H4Cl2, C6H4Br2, C6H4I2 thođng qua moơt Pop-up Menu.
b) Nhieơt đoơ thay đoơi bởi sáu bước cách nhau 40 K trong khoạng từ 193 K đên 393 K (– 80 oC đên 120 oC) thođng qua Slider.
c) Thê coơng UG thay đoơi bởi sáu bước cách nhau 0.1 V trong khoạng từ 0 V đên 0,5 V thođng qua Slider.
d) Kích thước roơng W cụa phađn tử thay đoơi sáu bước theo đúng như mức lượng tử hóa đo được từ mođ phỏng hóa hĩc CAChe.
e) Kích thước dài L cụa phađn tử thay đoơi sáu bước theo đúng như mức lượng tử hóa đo được từ mođ phỏng hóa hĩc CAChe.
5. Kêt quạ khạo sát hĩ đaịc trưng dòng - thê cụa bôn lối transistor phađn tử vòng benzene lieđn kêt 1-4 với các nguyeđn tử cụa nhóm Halogen (F, Cl, Br, I) có UG thay đoơi từ 0 V đên 0,5 V cho thây đoă thị có dáng giông như cụa MOSFET truyeăn thông. Hĩ đaịc trưng phađn thành hai vùng rõ reơt. Vùng có đoơ dôc lớn (dòng IDS taíng rât nhanh) khi UDS < 0,2 V và vùng bão hòa (dòng IDS taíng rât chaơm) khi UDS > 0,2V. Nguoăn nuođi cho các lối transistor này chư khoạng 1V. 6. Khạo sát ạnh hưởng cụa nhieơt đoơ từ -80 oC đên +120 oC cho thây dáng đaịc
trưng dòng - thê khođng thay đoơi đôi với cạ 4 lối phađn tử làm keđnh dăn. Mức đoơ ạnh hưởng cụa nhieơt đoơ leđn giá trị dòng IDS có sự khác nhau giữa 4 lối
phađn tử làm keđnh dăn. Dại nhieơt đoơ làm vieơc cụa lối transistor phađn tử neđu tređn roơng hơn so với sử dúng vaơt lieơu Si hay Ge truyeăn thông.
7. Khạo sát ạnh hưởng cụa sự lượng tử hóa kích thước roơng và dài cụa phađn tử leđn đaịc trưng dòng - thê cho thây đoơ roơng taíng thì dòng IDS cũng taíng theo. Ngược lái, giá trị đoơ dài cụa phađn tử khođng ạnh hưởng leđn dòng IDS.
8. Trong cùng moơt đieău kieơn nhieơt đoơ, đieơn áp VD và VG thì dòng IDS qua transistor sử dúng keđnh phađn tử C6H4F2, C6H4Cl2, C6H4Br2, C6H4I2 có giá trị khác nhau. Đieău này có lieđn quan đên khạ naíng cung câp cođng suât ở lôi ra cụa mách đieơn cú theơ khi sử dúng các transistor phađn tử. Trong bôn lối đã xét, khạ naíng cung câp cođng suât lớn nhât thuoơc veă transistor sử dúng keđnh phađn tử C6H4I2; thâp hơn tiêp theo là transistor sử dúng keđnh phađn tử C6H4Br2; thâp nhât là transistor sử dúng keđnh phađn tử C6H4Cl2.
DANH MÚC BÀI BÁO, COĐNG TRÌNH ĐÃ COĐNG BÔ
1. Đinh Sỹ Hieăn, Bùi An Đođng, Traăn Tiên Phức (2006), “Phát trieơn mođ hình 3D: châm lượng tử”, Báo cáo khoa hĩc, Hoơi nghị khoa hĩc laăn thứ 5, Trường Đái hĩc Khoa hĩc Tự nhieđn, Đái hĩc Quôc gia Thành phô Hoă Chí Minh,tr. 117. 2. Đinh Sỹ Hieăn, Traăn Tiên Phức (2006), “Boơ mođ phỏng linh kieơn lượng tử
NEMO-VN”, Báo cáo khoa hĩc, Hoơi nghị khoa hĩc laăn thứ 5, Trường Đái hĩc Khoa hĩc Tự nhieđn, Đái hĩc Quôc gia Thành phô Hoă Chí Minh,tr. 118.
3. Đinh Sỹ Hieăn, Traăn Tiên Phức (2006), “Cođng ngheơ chê táo linh kieơn đieơn tử nanođ”, Báo cáo khoa hĩc, Hoơi nghị khoa hĩc laăn thứ 5, Trường Đái hĩc Khoa hĩc Tự nhieđn, Đái hĩc Quôc gia Thành phô Hoă Chí Minh,tr. 119.
4. Đinh Sỹ Hieăn, Leđ Hữu Phúc, Traăn Tiên Phức, Phám Thành Trung, Bùi An Đođng, Đinh Vieơt Nga (2006), “Xađy dựng phaăn meăm mođ phỏng NEMO-VN cho linh kieơn đieơn tử nanođ”, Đeă tài nghieđn cứu câp Boơ, Trường Đái hĩc Khoa hĩc Tự nhieđn, Đái hĩc Quôc gia Thành phô Hoă Chí Minh,Mã sô: B2005-18- 06.
5. Traăn Tiên Phức (2007), “Transistor phađn tử C6H4Br2, C6H4F2 và C6H4Cl2”,
Tuyeơn taơp các báo cáo tại Hoơi nghị Vaơt lý Chât raĩn toàn quôc laăn thứ 5, Hội Vật lý Việt nam, tr. 768 - 772.
6. Traăn Tiên Phức (2008), “Transistor phađn tử”, Táp chí Phát trieơn Khoa hĩc và Cođng ngheơ, Đái hĩc Quôc gia Tp. Hoă Chí Minh, Taơp 11, Sô 02, tr. 50 - 59. 7. Dinh Sy Hien, Tran Tien Phuc, Pham Thanh Trung, Bui An Dong, Huynh Lam
Thu Thao, Nguyen Van Le Thanh, Thi Tran Anh Tuan, Huynh Hoang Trung and Nguyen Thi Thanh Nhan (2008), “A quantum device simulator - NEMO-