Nghiên cứu quá trình tán xạ trong cntfet loại đồng trục

Luận văn này được xây dựng thuộc lĩnh vực công nghệ điện tử Nano, nghiên cứu về Transistor trường dùng ống Nano cacbon được dùng làm kênh dẫn cho mô hình của FET, thay thế cho cấu trúc

MỞ ĐẦU

Nếu Thế kỷ 20 được coi là cuộc cách mạng về công nghệ thông tin thì Thế

kỷ 21 sẽ thuộc về công nghệ nano Trong đó điện tử nano là một lĩnh vực đang được nghiên cứu rất mạnh Bên cạnh đó, sự phát triển của công nghệ máy tính trở nên mạnh hơn và tinh vi hơn, đòi hỏi mật độ tích hợp cựckỳ cao trong vi mạch Vì vậy các Transistor ngày càng nhỏ hơn

Theo báo cáo của hiệp hôi công nghệ bán dẫn quốc tế (SIA’s International Technology Roadmap for Semiconductor, ITRS), kích thước của Transistor có thể xuống dưới 100 nm (cỡ 30 nm – 50 nm) tới năm 2014 Thực tế hiện nay các công ty chế tạo chip đã chuyển sang quy trình 45 nm Hiện nay Intel đã dùng công nghệ 32

nm và 23 – 9 – 2009 đã trình diễn chip công nghệ 22 nm

Luận văn này được xây dựng thuộc lĩnh vực công nghệ điện tử Nano, nghiên

cứu về Transistor trường dùng ống Nano cacbon được dùng làm kênh dẫn cho mô

hình của FET, thay thế cho cấu trúc vật liệu bán dẫn trước đây, Rất nhiều tác giả đã

và đang có nhiều công trình nghiên cứu về vấn đề này như: Jing Guo, Reid, Shengdong Li…Họ xây dựng mô hình, mô phỏng các đặc tính và thậm chí là chế tạo thành công CNTFET

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu, mô phỏng đi sâu vào các đặc tính về dòng

và thế của CNTFET loại đồng trục dưới tác động của nhiêu thông số khác nhau của ống Nano cacbon đến quá trình tán xạ

Tác giả dùng giao diện GUI trong phần mềm MatLab, để tính toán và mô

phỏng một số đặc tính của Transistor trường dùng ống Nano cacbon (CNTFET)

Tác giả xây dựng phương pháp hàm Green là cơ sở để mô phỏng cho linh kiện CNTFET

Hiện nay việc tiếp cận với quy trình chế tạo linh kiện kích thước thang Nanomet vẫn còn gặp nhiều khó khăn Việc khai thác các tính chất vật lý của các vật liệu mới cho việc chế tạo linh kiện, đưa vào tính toán xây dựng mô phỏng linh kiện thực là vấn đề đặt ra và tìm hướng giải quyết tối ưu Mô hình giới thiệu trong

đề tài chỉ xem xét và thử nghiệm các giá trị mô phỏng thường ứng dụng trong thực

tế, nhất là vấn đề độ dài của kênh dẫn dưới 20 nm sẽ bị tán xạ, nhiệt độ, biến thiên

độ rộng, độ dài của kênh dẫn, ảnh hưởng độ dày của cổng oxit và vật liệu chọn để làm nguồn, máng…

Tác giả hi vọng, từ những kết quả khoa học nhận được trong việc mô phỏng các đặc tính của CNTFET đồng trục, đề tài sẽ góp phần vào việc chế tạo thành công các CNTFET ở nước ta trong tương lai

%m=0.25*9.1e-31; % m khoi luong hieu dung

m=9.1e-31; % khoi luong electron

% %kBT= 26*1e-3;% kB*T= 26meV doi ra cho cung don vi

% % Thiet lap cong thuc cho nhiet do

% kT=kB*T/q;

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

%a=2e-10; % a=0.3 nm chuan

a=1.42e-10; % khoang cach a_cc cua 2 nguyen tu C

t0=3 ; % t0=3eV thong so cua p_z-orbital duoc dung trong C cua CNT-

(s,px,py,pz)

%%%THAY DOI DUONG KINH CUA ONG CNT ( NM)

d=handles.edit1; %Duong kinh cua CNT tinh theo nm

%r=0.5e-9; % Ban kinh cua CNT % Day Bandgap chia theo ti le

r=(d/2)*1e-9;

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

%%%% THAY DOI DO DAY CONG OXIT, TUY THEO VAT LIEU CONG

%%% -> thay doi nay keo theo thay doi ve hangso dien moi, do day cong oxit

t=handles.edit6;

tox=t*1e-9; % do day cong oxit insulator thickness

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

%%%%THAY DOI HANG SO DIEM MOI

epsr2=0; % hang so dien moi cho cong cach dien cao

choice2 =get(handles.popupmenu2, 'value' );

if choice2==1, plot(rand(1)); % case1 none

elseif choice2==2,epsr2=5; %case4 Al203

elseif choice2==3,epsr2=20; %case4 Hf02

elseif choice2==4,epsr2=25; %case5 Zr02

elseif choice2==5,epsr2=65; %case6 Ti02

elseif choice2==6,epsr2=175; %case4 SrTiO3

%alphag=0.88;alphad=0.035; chuan

%Cins=2*pi*epsr2*eps0*L0/(log(2*tox/r));

Cins=2*pi*epsr2*eps0*L0/log(2*tox/r);

CG=Cins; % thong so cua tu tai Gate

C_gate=CG/alphag; % C_SIG=sum of capacitors (see eq (7b) in [1]) xem CT 7,8-tai lieu

% The Possion hinh thanh tu CNT

%XAY DUNG MA TRAN HALMILTON

Np=20; % Kich co cho ma tran H

% Tinh ma tran Halmilton

H=(2.23*t0*diag(ones(1,Np)))-(t0*diag(ones(1,Np-1),1))-(t0*diag(ones(1,Np-1),-1));

%H=T+diag(UB);

%diag(ones(1,Np-1),1)) ; lech dich cot 1 cua ma tran I

%diag(ones(1,Np-1),-11)) ; dich hang cot 1 cua ma tran I

% Tinh ma tran rao the-Rao

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

%%

%%%%THAY DOI DO CAO CUA RAO-TUY THEO VAT LIEU O SOURCE VA DRAIN

U_Schottky=0; % do cao cua rao the

U_choice =get(handles.popupmenu1, 'value' );

%( Bai toan nhieu rao )

% Np=k;%Length of barrier = (Np-2)*a

% MATRAN RAO THE

UB=[zeros(NS,1);U_Schottky*ones(NC,1);zeros(ND,1);]; %tunneling barrier

%UB=[0;0;0;0.6*ones(Np-5,1);0;0]; % Chieu cao cua Rao the-Hight of

I0=(q^2)/hbar/2/pi;

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% Cac thong so cua dong

%PHAN CUC BIAS

% %%LUA CHON MAU CHO DO THI DE VE~

index1 = get(handles.popupmenu3, 'Value' );

%h=plot(V,I/(curr),'color',mau); % chuan hoa cung giai

h=plot(V,I/(curr), 'color' ,mau); % chuan hoa cung giai

xlabel( 'Voltage Vg(V) > ' , 'Fontname' , 'Vni-helve' , 'Fontsize' ,13)

ylabel( 'Current(A) > ' , 'Fontname' , 'Vni-helve' , 'Fontsize' ,13)

grid on

function pushbutton3_Callback(hObject, eventdata, handles)

% hObject handle to pushbutton3 (see GCBO)

% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB

% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)

%m=0.25*9.1e-31; % m khoi luong hieu dung

m=9.1e-31; % khoi luong electron

% hang so dien moi trong chan khong

%a=2e-10; % a=0.3 nm chuan

a=1.42e-10; % khoang cach a_cc cua 2 nguyen tu C

%t0=(hbar^2)/(2*m*(a^2)*q); % tinh theo eV % CT 5.26 cua Doctor thesis

t0=3 ; % t0=3eV thong so cua p_z-orbital duoc dung trong C cua CNT-

(s,px,py,pz)

%%%THAY DOI DUONG KINH CUA ONG CNT ( NM)

d=handles.edit1; %Duong kinh cua CNT tinh theo nm

Eg=0.8; % Day Bandgap chia theo ti le Eg=0.8eV

r=(d/2)*1e-9;

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

%%%% THAY DOI DO DAY CONG OXIT, TUY THEO VAT LIEU CONG

%%% -> thay doi nay keo theo thay doi ve hangso dien moi, do day cong oxit

t=handles.edit6;

tox=t*1e-9; % do day cong oxit insulator thickness

%tox=Rg-Rt % Rg: Bk Cong; Rt:Bankinh CNT

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

%%%%THAY DOI HANG SO DIEM MOI

%epsr=handles.edit7; % hang so dien moi cho cong cach dien cao

%%%%LUA CHON HANG SO DIEN MOI

epsr1=0;

choice1 =get(handles.popupmenu2, 'value' );

if choice1==1, epsr1=5; %%case2 Al203 plot(rand(1));% case1 none

elseif choice1==2,epsr1=20; %case3 Hf02

elseif choice1==3,epsr1=25; %case4 Zr02

elseif choice1==4,epsr1=65; %case4 Zr02

elseif choice1==5,epsr1=175; %case6 SrTi03

%elseif choice1==6,epsr1=175; %case6 SrTi03

CG=Cins; % thong so cua tu tai Gate

C_gate=CG/alphag; % C_SIG=sum of capacitors

% The Possion hinh thanh tu CNT

U0=q/C_gate;

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

%XAY DUNG MA TRAN HALMILTON

Np=50; % Kich co cho ma tran H

% Tinh ma tran Halmilton

1),-1));

H=(2*t0*diag(ones(1,Np)))-(t0*diag(ones(1,Np-1),1))-(t0*diag(ones(1,Np-%diag(ones(1,Np-1),1)) ; lech dich cot 1 cua ma tran I

%diag(ones(1,Np-1),-11)) ; dich hang cot 1 cua ma tran I

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

%%

%%%%THAY DOI DO CAO CUA RAO-TUY THEO VAT LIEU O SOURCE VA DRAIN

%U_Schottky=handles.edit8; % do cao cua rao the

% So lieu lay tu bai bao thuc nghiem

U_Schottky=0;

U_choice =get(handles.popupmenu1, 'value' );

if U_choice==1,U_Schottky=0.52; % Au(100); Au(111)=0.23 plot(rand(1)); elseif U_choice==2,U_Schottky=0.45; % Pt(100);

Pt(111)=0.35U_Schottky=0.52; % Au(100); Au(111)=0.23

% MATRAN RAO THE

UB=[zeros(NS,1);U_Schottky*ones(NC,1);zeros(ND,1);]; %tunneling barrier

%UB=[0;0;0;0.6*ones(Np-5,1);0;0]; % Chieu cao cua Rao the-Hight of

% Cac thong so chuan hoa' cua dong

g1=0.4;g2=0.4;curr=2*pi*g1*g2/(g1+g2); %thong so cua do`ng

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

%%

%%%PHUONG PHAP HAM GREEN NEGF

%%% THAY DOI THE CONG Vg ( Tinh theo V)

% mu2=Ef+(Vd/2);mu1=Ef-(Vd/2);

sig1=zeros(Np);

sig2=zeros(Np);

%%%CHUAN HOA SAI SO

%%%CHUAN HOA SAI SO

% VE DAC TUYEN V-I

Ef=0.63; NV=40; VV=linspace(0,0.8,NV); % the vao tu 0-1V

end

% Dong tinh theo ham Green:

II(iV)=I0*dE*sum(Tr.*(f2-f1)); % CT tich phan

end

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% HAM VE~

% %%LUA CHON MAU CHO DO THI DE VE~

index1 = get(handles.popupmenu3, 'Value' );

xlabel( ' Voltage Vd(V) > ' , 'Fontname' , 'Vni-helve' , 'Fontsize' ,13)

ylabel( ' Current(A) > ' , 'Fontname' , 'Vni-helve' , 'Fontsize' ,13)

grid on

hold on

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% function axes1_CreateFcn(hObject, eventdata, handles)

% hObject handle to axes1 (see GCBO)

% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB

% handles empty - handles not created until after all CreateFcns

called

function edit9_Callback(hObject, eventdata, handles)

% hObject handle to edit9 (see GCBO)

% Hints: get(hObject,'String') returns contents of edit9 as text

% str2double(get(hObject,'String')) returns contents of edit9 as a double

edit9 = str2double(get(hObject, 'String' ));

% - Executes during object creation, after setting all properties function edit9_CreateFcn(hObject, eventdata, handles)

% hObject handle to edit9 (see GCBO)

% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB

% handles empty - handles not created until after all CreateFcns called

% Hint: edit controls usually have a white background on Windows

% See ISPC and COMPUTER

% - Executes on button press in pushbutton10

function pushbutton10_Callback(hObject, eventdata, handles)

%m=0.25*9.1e-31; % m khoi luong hieu dung

m=9.1e-31; % khoi luong electron

% %kBT= 26*1e-3;% kB*T= 26meV doi ra cho cung don vi

% % Thiet lap cong thuc cho nhiet do

% kT=kB*T/q;

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

%a=2e-10; % a=0.3 nm chuan

a=1.42e-10; % khoang cach a_cc cua 2 nguyen tu C

t0=3 ; % t0=3eV thong so cua p_z-orbital duoc dung trong C cua CNT-

(s,px,py,pz)

%%%THAY DOI DUONG KINH CUA ONG CNT ( NM)

d=handles.edit1; %Duong kinh cua CNT tinh theo nm

%r=0.5e-9; % Ban kinh cua CNT % Day Bandgap chia theo ti le

r=(d/2)*1e-9;

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

%%%% THAY DOI DO DAY CONG OXIT, TUY THEO VAT LIEU CONG

%%% -> thay doi nay keo theo thay doi ve hangso dien moi, do day cong oxit

t=handles.edit6;

tox=t*1e-9; % do day cong oxit insulator thickness

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

%%%%THAY DOI HANG SO DIEM MOI

epsr2=0; % hang so dien moi cho cong cach dien cao

choice2 =get(handles.popupmenu2, 'value' );

if choice2==1, plot(rand(1)); % case1 none

elseif choice2==2,epsr2=5; %case4 Al203

elseif choice2==3,epsr2=20; %case4 Hf02

elseif choice2==4,epsr2=25; %case5 Zr02

elseif choice2==5,epsr2=65; %case6 Ti02

elseif choice2==6,epsr2=175; %case4 SrTiO3

CG=Cins; % thong so cua tu tai Gate

C_gate=CG/alphag; % C_SIG=sum of capacitors (see eq (7b) in [1]) xem CT 7,8-tai lieu

% The Possion hinh thanh tu CNT

%XAY DUNG MA TRAN HALMILTON

Np=20; % Kich co cho ma tran H

% Tinh ma tran Halmilton

H=(2.23*t0*diag(ones(1,Np)))-(t0*diag(ones(1,Np-1),1))-(t0*diag(ones(1,Np-1),-1));

%H=T+diag(UB);

%diag(ones(1,Np-1),1)) ; lech dich cot 1 cua ma tran I

%diag(ones(1,Np-1),-11)) ; dich hang cot 1 cua ma tran I

% Tinh ma tran rao the-Rao

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

%%

%%%%THAY DOI DO CAO CUA RAO-TUY THEO VAT LIEU O SOURCE VA DRAIN

U_Schottky=0; % do cao cua rao the

U_choice =get(handles.popupmenu1, 'value' );

%( Bai toan nhieu rao )

% Np=k;%Length of barrier = (Np-2)*a

% MATRAN RAO THE

UB=[zeros(NS,1);U_Schottky*ones(NC,1);zeros(ND,1);]; %tunneling barrier

%UB=[0;0;0;0.6*ones(Np-5,1);0;0]; % Chieu cao cua Rao the-Hight of

% %%LUA CHON MAU CHO DO THI DE VE~

index1 = get(handles.popupmenu3, 'Value' );

%h=plot(V,I/(curr),'color',mau); % chuan hoa cung giai

h=plot(V,I/(curr), 'color' ,mau); % chuan hoa cung giai

%h=plot(V,I);

set(h, 'linewidth' ,[2.0])

set(gca, 'Fontsize' ,[18])

title( 'Id-Vds CNTFET' , 'Fontname' , 'Vni-helve' , 'Fontsize' ,13);

xlabel( 'thế Vg(V) > ' , 'Fontname' , ‘VNI-Times'Vni-helve' , 'Fontsize' ,13) ylabel( 'dòng I(A) > ' , 'Fontname' , 'Vni-helve' , 'Fontsize' ,13)

grid on

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

CHƯƠNG 1

KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ỐNG NANO CACBON

1.1 Sơ lược lịch sử của ống nano cacbon

Năm 1991 Sumio Lijima, nhà khoa học người nhật, làm việc cho hãng NEC Trong khi nghiên cứu và theo dõi các loại hạt bụi trong bình kín, để chế tạo Fulơren theo cách phóng điện hồ quang trong khí trơ với tia điện cực là cacbon, đã phát hiện

có những tinh thể nhỏ dạng như ống rỗng, đường kính ống chỉ cỡ 1.5 nm, còn chiều dài ống có thể đến hàng chục Nanomet thậm chí nửa micromet [3] Bao một vòng quanh thân ống có thể đến hàngtriệu nguyên tử, đó là khởi đầu tiên cho ống Nano cacbon ( CNT – Carbon Nano Tube ) ra đời

Mặt ngoài của ống nano cacbon, cơ bản là các nguyên tử cacbon liên kết với nhau rất chắc bằng liên kết đồng hoái trị Mỗi nguyên tử cacbon có ba mối liên kết nối với ba nguyên tử Cacbon khác, từ đó tạo thành hình sáu cạnh Một số lồi lên hay lõm xuống, lại sắp xếp theo kiểu hình ống rỗng do đó ống Nano cacbon rất nhẹ, bên trong đó là chân không

Tuy nhẹ, nhưng ống Nano cacbon lại rất cứng và rất bền vì các nguyên tử cấu tạo lên ống đều liên kết với nhau bằng liên kết mạnh nhất Người ta khai thác những tính chất đặc biệt của ống Nano cacbon phục vụ công nghệ Nano

1.2 Tính chất điện tử

1.2.1 Sơ lược về cấu trúc Graphen với các thông số kỹ thuật

Từ lâu Cacbon tồn tại dưới dạng vô định hình, còn gọi là tinh thể Thường có

hai dạng là: kim cương và graphit

Kim cương: cứng, dùng làm đồ trang sức hay lưỡi dao cắt gọt tinh vi các vật liệu kỹ thuật Kim cương là một dạng tinh thể gồm bốn nguyên tử cacbon và mỗi nguyên tử cacbon có bốn liên kết đồng hóa trị tạo ra bốn hướng theo kiểu từ tâm ra

bốn đỉnh của một tứ diện đều Liên kết đồng hóa trị là liên kết mạnh nhất, nhờ đó kim cương rất cứng

Graphit: dễ tách thành những lớp mỏng, dẫn điện tốt thường làm chổi than ở máy điện Graphit có cấu tạo tinh thể với ô mạng lục giác ở đáy là hình sáu cạnh đều Mỗi nguyên tử cacbon ở lớp đáy tạo ra ba mối liên kết đồng hóa trị, nằm trong mặt phẳng tạo với nhau một góc 1200 Vì là liên kết đồng hóa trị, các nguyên tử cacbon xếp theo các ô hình lục giác rất bền vững, người ta gọi là lá graphen.(hình 1.1.1) Giữa các lá graphen có một liên kết đặc biệt, gọi là liên kết điện tử π , tương đối yếu Vì vậy các Graphen dễ bị trượt với nhau Nhờ đó có thể làm chất rắn bôi trơn Điện tử π liên kết rất yếu, nên linh động và dễ di chuyển khỏi mạng, do đó

nó đóng vai trò dẫn điện

Hình 1.1 - Trình bày một lớp cắt graphen Cấu trúc mạng lục giác và cấu

trúc hai vectơ trong không gian đối nghịch

Tính chất đặc biệt liên quan đến các mối liên kết của cacbon thể hiện rõ trong hai dạng cấu trúc tinh thể mới của cacbon là fuloren và ống nano cacbon

Xét cấu trúc hai chiều trong không gian thực, ta có hai véctơ cơ bản là a1

Xét cấu trúc lá graphen trong một đơn vị tế bào (unit - cell) thì thấy khác với cấu trúc của vòng Benzen Ta có cấu trúc graphen như sau [4]:

và a cc= 1.42A0 là khoảng cách giữa hai C – C gần nhau (1.5)

Từ đó tính được phương trình sóng vectơ, từ toán tử Hamilton cho một đơn vị tế bào với liên kết C – C và giữa các tế bào lân cận (các nguyên tử cacbon kề nhau)

Với 0

0

4 3

1.2.2 Cấu trúc điện tử của ống nano cacbon đơn tường

Ống nano cacbon (CNT) có thể xem là các lá graphen cắt và cuộn tròn lại thành hình trụ liền và rỗng có chiều dài trung bình khoảng 10µm và đường kính từ

1 nm – 10 nm Ống nano gồm ống Nano đơn tường và đa tường

Đối với ống nano cacbon đơn tường (Single Walled Nanotube - SWNT), đường kính tối đa khoảng từ 1 nm – 3 nm,chiều dài khoảng 50 nm -300 nm

Đối với ống nano cacbon nhiều tường (Multi Walled Nanotube - MWNT), đường kính cho phép trên 10 nm, chiều dài kích cỡ micromet

Cấu trúc hình học của CNT được mô tả bởi vecto Chi [2] Trong đề tài nay chỉ quan tâm đến ống CNT tường đơn, với dạng ống đồng trục áp dụng làm kênh dẫn cho FET

là hai vecto chỉ phương hướng

Hình 1.3 – Cấu trúc hóa học của CNT

Khi m = 0 : Ta có cấu trúc CNT dạng zic zắc (zigzag)

Khi m = n : Ta có cấu trúc CNT dạng ghế bàn (armchair)

Khi m ≠ n : Ta có cấu trúc CNT dạng chiếc ghế

Bảng 1.1 Phân loại ống nano cacbon

Và công thức về bán kính của CNT được tính như sau:

→

Hình 1.4 – Cấu trúc ống CNT hình zic zắc ( 16, 0) và bán kính tính được R t ≈ 0.63

nm

Hình 1.5 Cấu trúc của CNT với m, n khác nhau.

Bây giờ, ta tính mối tương quan giữa năng lượng E và các bậc, gọi là tương quan E – k trong CNT Từ mối tương quan ở cấu trúc graphen Phân tích rộng ra theo cấu trúc năng lượng như hình 1.6

Với : k : vecto sóng q : số thứ tự nguyên tử (quantum numner)

Hình 1.6 – Biểu thị năng lượng khác nhau, các đường sức theo chiều của liên kết

π

Xét các thông số vật lí E – k gần điểm Fermi được chú ý nhiều, chọn điểm Fermi có vectơ như sau:

Với : d là đường kính của ống CNT

Từ đó suy ra các mức năng lượng E – k trong ống CNT như sau :

Mức năng lượng thấp nhất sẽ được nhận ra bởi giá trị nhỏ nhất của k c q,

Từ đây, Ống nano cacbon có thể xác định ở trạng thái kim loại hay bán dẫn phụ thuộc vào giá trị (m - n):

Nếu (n-m) mod 3 = 0, khi đó CNT là kim loại (hình 1.7)

Khi đó giá trị nhỏ nhất của '

c q

k = ở q = (n-m)/3 Biểu thức năng lượng tương

quan E – k một chiều sẽ được tính: 3 '

2

cc

a t

Hình 1.7 – Cấu trúc của một CNT dạng kim loại [4]

Hàm phân bố mật độ trạng thái (DOS ) 1D cho dãy năng lượng trong ống CNT dạng kim loại sẽ là một hằng số

' t

Khi đó, ta có sự phân bố năng lượng E – k :

Hình 1.8 – Hai trạng thái năng lượng đối xứng nhau [4]

Khi (n – m ) mod 3 ≠ 0, CNT là chất bán dẫn (hình 1.9)

Khi đó, ta có : ,

2 3

a t E

0 2 2

1D(E) = 2.2 [ ( k )]

L E

Hình 1.10 – Mô tả hàm mật độ DOS ứng với dạng ống khác nhau

hình a CNT (5,5) kim loại; hình b CNT ( 7, 0) CNT bán dẫn

1.2.3 Ống nano đa tường

Ống nano cabon ngoài cấu trúc đơn tường, người ta còn chế tạo cấu trúc đa tường, bao gồm nhiều cấu trúc ống với các đường kính khác nhau, lồng vào nhau

Nó cũng được ứng dụng để chế tạo trong nhiều linh kiện kích thước nano Như linh kiện điện tử pin mặt trời, LED

Hình 1.11 – Mô hình hai ống CNT lồng vào nhau với khoảng cách 3.5 A 0

Hình 1.12 – Mô hình nhiều ống CNT lồng vào nhau

Trong việc nghiên cứu chế tạo, người ta dùng kính hiển vi điện tử cắt chụp ảnh mô tả cấu truc ống Nano Cacnon đa tường Một số hình ảnh như sau:

Hình 1.13 ảnh TEM và sơ đồ MWNT với đường kính trong d i và đường kính ngoài d0 và số vỏ hình trụ N

Hình 1.13: (a) N = 5, d o= 6 7 nm; (b) N = 2, d0 = 5.5 nm; (c) N=7, di = 2.3 nm,

do = 6.5 nm [3]

Ống nano cacbon đa tường có nhiều cấu trúc vật lí tương đối phức tạp, nhất là các mối liên kết C – C giữa các ống, vấn đề ảnh hưởng nữa là khoảng cách giữa các ống

sẽ hình thành nhiều mức năng lượng khác nhau Khi đó hàm mật độ DOS và dãy năng lượng Eg khác, do đó xét đến tính chất kim loại bán dẫn của ống sẽ khó khăn

1.3 Những phương pháp chế tạo CNT hiện nay

1.3.1 Phóng điện hồ quang

Phương pháp bao gồm việc áp thế giữa hai điện cực giữ gần nhau trong buồng khí trơ Sự phóng điện xảy ra giữa các cực điện nung nóng vùng này lên đến hàng nghìn độ, dẫn tới sự bốc hơi cacbon Hơi cacbon kết tinh trên đầu điện cực âm tạo thành ồng nano cacbon đa tường với đường kính khoảng 4 nm – 30 nm (hình 1.14)

tả bằng sơ đồ trong hình 1.15

Hình 1.15: Các phương pháp chế tạo ống CNT [3]

- Hình 1.15 a, b: Phóng điện hồ quang và ảnh TEM của sản phẩm

- Hình 1.15 c, d: Bốc hơi La – de, và ảnh TEM của sản phẩm

- Hình 1.15 e, f: Lắng đọng bay hơi hóa học và ảnh SEM của SWNT tạo

thành từ các đảo in xúc tác trên wafer Si

- Hình 1.15 g, h: Sự kết tinh lại xâm thực ảnh TEM của sản phẩm ( các cột

Mỗi sợi của vật liệu này bao gồm một dây từ 100 đến 500 ống SWNT song song được bó gần nhau như một mạng tam giác hai chiều như trình bày trong hình

1.15d Ống nano cacbon đơn tường được cung cấp bằng tổng hợp xung La – de trong lượng lớn, đã được thực hiện nhiều nghiên cứu trong vật vật lí và hóa học Thời gian đầu nó vẫn là phương pháp chế tạo được ưa thích, được một số nhà sản xuất áp dụng chế tạo ra hàng loạt

1.3.3 Lắng đọng bay hơi hóa học

Phương pháp dựa trên kỹ thuật lắng đọng bay hơi hóa học (gọi là phương pháp CVD – Hình 1.15e) SWNT được phát triển ngay tại wafer silic có các đảo mẫu in xúc tác bằng bột nhôm oxit (Al O2 3) chứa các hạt nano xúc tác Fe và Mo Những chất nền này được đặt trong ống nung tại 1000 C0 dưới dòng khí Mêtan Hydro Cacbon làm việc như tiền thân của cacbon, bị phân ly trên chất xúc tác và cacbon kết tinh dưới dạng kết hợp SWNT riêng từ đảo xúc tác

Quy trình CVD đơn giản này mở ra khả năng chế tạo các chíp ống nano mẫu đầu tiên bằng việc phát triển SWNT tại ngay vị trí đặc biệt trên nền phẳng (hình 2.15f ) Do đó, có thể chứng minh rất hữu ích cho sản xuất tại chỗ việc lắp ráp ống Nano và mạch điện tử linh kiện nano

Ta cũng nhận thấy rằng các phân tử khác cũng có thể được sử dụng như các tiền thân của cacbon nano gồm: Oxit Cacbon (CO), Etylen, và Benzen [3]

1.3.4 Kết tinh lại xâm thực

SWNT được chế tạo bằng phương pháp kể trên bao gồm ống nano có đường kính khác nhau và chia ra là kim loại hoặc bán dẫn Tính chất không giống nhau về điện tử và cấu trúc là hạn chế nghiêm trọng theo hướng ứng dụng của SWNT trong điện tử nano Báo cáo vào năm 2001 của nhóm IBM Zulich là sự chế tạo thành công các đơn tinh thể đồng nhất SWNT

Những lớp Ni và C60 xen kẽ nhau được bay hơi trên nền Mo hoặc Si qua mặt

nạ bảo vệ có đường kính 300 mm tạo nên mảng các cột nhiều lớp C60/Ni (hình 1.15g ) Khi nung nóng tới 950 C0 trong từ trường 1.5 T ( tesla ) đối với bề mặt, các cột này được biến thành các cần dài micron, có đường kính 50 mm, nổi lên từ mặt (Hình 1.15h)

Những kết quả đặc biệt này mở ra khả năng sản xuất các SWNT giống nhau Mặc dù vậy, quá trình được xem là kết tinh lại xâm thực gợi ý rằng ta có thể nuôi SWNT với trình độ cao của điều khiển nhiệt động học, ngược với các quá trình trước đó là điều khiển động lực học

1.4 Các ứng dụng của ống Nano cacbon

1.4.1 Ống nano cacbon gốm

Vật liệu gốm thường là rất cứng nhưng lại dòn, dễ vỡ, không dẫn điện, dẫn nhiệt, khó làm được thành các chi tiết tinh vi Các nhà khoa học của Đại học California (Mỹ) đã trộn bột oxyt nhôm (Al2O3) với khoảng 5-10% ống nano cacbon

và 5% bột niobi cực mịn, sau đó ép thành khuôn và nung ở nhiệt độ cao (có thể nung bằng plasma đối với lớp mỏng), cho ra loại gốm mới có ống nano cacbon So với gốm làm từ bột oxyt nhôm không có ống nano cacbon, loại gốm mới có độ bền cao gấp 5 lần, độ dẫn điện cao gấp 7 lần Đặc biệt, loại gốm mới còn có thể điều khiển được độ dẫn nhiệt bằng cách sắp xếp ống nano cacbon: Nếu cho ống nano cacbon nằm song song với nhau thì độ dẫn nhiệt rất tốt, còn theo chiều vuông góc với nhau thì lại có tính chất cách nhiệt

Loại gốm này có thể dùng làm nhiều chi tiết đặc biệt hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt, như: va đập mạnh, nhiệt độ cao và thay đổi thất thường Loại gốm này dùng để phun phủ trực tiếp lên bề mặt các cánh tua bin chạy bằng khí đốt (như

cánh tua bin của máy phát điện chạy bằng khí nóng) rất tốt

1.4.2 Dùng ống nano cacbon làm nguồn phát điện tử chế tạo đèn hình dẹt

Ở đèn hình tivi, máy tính … nguồn điện tử đập vào màn huỳnh quang để phát ra ánh sáng và tạo lên hình ảnh, phổ biến là nguồn nhiệt điện tử Theo cách chế tạo hiện nay thì người ta dùng sợi Vônfram đốt nóng bằng cách cho dòng điện chạy qua và điện tử thoát ra được tăng tốc và chạy đến đập vào màn huỳnh quang (hình 1.16) Điều này, có bất lợi là tiêu thụ nhiều điện năng và nguồn nhiệt tỏa ra môi trường rất lớn, thiết bị lại cồng kềnh

Hình 1.16 - Ứng dụng làm đèn nền của ống nano cacbon [2]

Các phép đo thực nghiệm cho thấy rằng, ống nano cacbon có thể phát ra nhiều điện tử ở đầu mút mà không cần phải đốt nóng, chỉ cần tác dụng một hiệu điện thế vừa phải

Ví dụ trong bố trí thí nghiệm hình 1.16, nếu tác dụng của điện thế từ 100V – 1000V giữa lưới và màn gồm nhiều ống Nano cacbon, thì điện tử có thể thoát ra nhiều và làm sáng màn huỳnh quang được phủ Anot

Trên cơ sở này hãng Samsung đã chế tạo đèn hình dẹt, hình ảnh đẹp, gọn nhẹ, không nóng và có hi vọng cạnh tranh với đèn hình tinh thể lỏng trong tương lai

không xa

1.4.3 Dùng ống nano cacbon để chứa Hydrô và làm Pin nhiên liệu

Vấn đề chứa chất hyđro là vấn đề sôi nổi nhất hiện nay, vì nó liên quan đến chất đốt sạch, không ô nhiễm môi trường Hiện nay, ôtô chạy xăng dầu gây ô nhiễm, nguồn dầu mỏ đang cạn kiệt dần, các nhà nghiên cứu đã tìm nguồn nguyên liệu sạch để thay thế đó là hyđro

Đế

Anot

+

- Sợi Nano cacbon

Tuy nhiên, vấn đề nan giải là bình chứa ống hyđro như thế nào, theo cách hóa lỏng hyđro, rồi chứa trong bình thép sử dụng hiện nay thì áp suất rất cao, rất nguy hiểm khi vận chuyển, sự cố rò rỉ, cồng kền

Một giải pháp mang tính đột phá là dùng ống nano cacbon, vì bản thân ống là rỗng, đường kính lớn gấp hai, ba lần so với nguyên tử hyđro Các nguyên tử hyđro này sẽ chui vào trong ống, bám vào thành ống

Số lượng các nguyên tử hyđro bám vào thành ống và lưu lại sẽ chiếm một số lượng rất lớn, tùy thuộc vào nhiệt độ áp suất Người ta có thể điều khiển nhiệt độ và

áp suất sao cho nguyên tử hyđro chứa trong nhiều bình và có thể bay ra sử dụng một cách an toàn

Vấn đề hiện nay là phải tạo ra các ống nano cacbon với giá rẻ và sử dụng an toàn Một số nghiên cứu đã công bố chế tạo thành công các ống nano cacbon với 98% tinh khiết, ít có tạp chất Nhờ đó, nó dùng làm vật liệu chứa hyđro, chiếm đến 7% trọng lượng bình chứa

Một ứng dụng thứ hai đang nghiên cứu và phát triển, đó là pin nhiên liệu Nguồn năng lượng hiện nay tồn tại như: pin thường, pin khô, pin nạp lại được, ắc quy … tuy nhiên, vẫn còn có hạn chế về mặt kỹ thuật, như nạp điện lâu, mau hỏng pin laptop, chỉ sử dụng vài giờ, pin điện thoại di động chỉ sử dụng vài ngày phải nạp lại…

Một hướng giải quyết đó là pin nhiên liệu Gọi là pin vì có điện, gọi là nhiên liệu vì ta nạp lại Ở đây không phải cắm điện mà là đổ vào một dung dịch hóa học tương tự như đổ xăng dầu cho các máy nổ

Pin nhiên liệu hiện nay là pin sử dụng hyđro hóa lỏng là xem ra có triển vọng nhất Cơ sở chế tạo dựa trên cơ sở ống nano cacbon sẽ cho mật độ năng lượng là cao nhất Người ta dự đoán và đang nghiên cứu, chỉ cần 500 ml dung dịch làm từ vật liệu sợi nano cacbon là có thể đảm bảo cho pin nhiên liệu cấp điện làm việc cho các laptop trong vòng một tháng

Nếu tiếp xúc đạt được, điện trở của điểm chéo thay đổi bằng bậc độ lớn Sự thay đổi này có thể được phát hiện bằng một ma trận và được sử dụng để lưu giữ bít Do đó, ta có bộ nhớ không bị mất đi, thông tin được lưu giữ lại sau khi tắt nguồn nguội Kích thước của tế bào cực tiểu phụ thuộc vào thế biến dạng đàn hồi của ống nano cacbon bao gồm các mảng huyền phủ của chúng Người ta đo được kích thước diện tích khoảng 5 nm2, thời gian chuyển mạch nội gần 100 Ghz

Lưu giữ thông tin trong linh kiện nano cacbon là một vấn đề rất hấp dẫn, vì nút nhớ có thể giảm nhỏ đến kích thước phân tử và thời gian chuyển mạch cực nhanh Dù vậy, các yếu tố nhớ này phải được nối với các vi điện tử chuẩn để phát hiện thông tin nhớ và chu trình thời gian cũng phải tuân theo logic bên ngoài Ta cũng chú ý rằng việc bố trí các ống nano cacbon thành các thanh cắt nhau dễ hơn trong các mạng ngẫunhiên

Tóm lại, trên đây là các sơ lược về ống nano cacbon, từ đó áp dụng nó vào chế tạo linh kiện điện tử, trong đó có việc chế tạo transistor trường dùng ống nano cacbon (CNTFET)

1.4.5 Đầu dò dùng ống nano cacbon

Do ống nano rất nhỏ (đường kính từ 1 nm – vài chục nm), lại rất cứng và bền do cấu trúc liên kết C – C của vòng cacbon Do đó người ta thường dùng làm mũi nhọn đầu dò ở các kính hiển vi quét đầu dò, có thể đo lực vi mô rất tốt và hiệu quả

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU TRANSISTOR TRƯỜNG DÙNG ỐNG NANO

CACBON (CNTFET)

2.1 Transistor trường dùng ống nano cacbon

2.1.1 Sơ lược về transistor trường ống nano cacbon

Transistor hiệu ứng trường hoặc FET là thiết bị điều khiển điện áp Các đặc tuyến đầu ra của FET được điều khiển bởi điện áp vào chứ không phải dòng điện vào

Khi thế máng nguồn, Vd được áp vào, điện từ đi từ nguồn qua kênh tới máng Dòng điện của điện tích trong lớp đảo là hằng số, lần lượt là hàm của điện trường thẳng đứng Thuật ngữ khái niệm hiệu ứng trường là dòng được điều khiển bởi điện trường vuông góc với dòng điện tích

Trong FET, vật liệu kết nối giữa nguồn với máng gọi là “kênh“ Lúc vật liệu kênh n gọi là FET kênh n, dòng là dòng điện tử chạy qua kênh Vật liệu kiểu p, thì FET gọi là FET kênh p, dòng là do lỗ trống di chuyển qua kênh (Hình 2.1)

Hình 2.1 – Sơ đồ FET thông thường kênh n và p

Một thông số cơ bản của FET hay MOSFET là thế ngưỡng VT Nếu cổng nguồn bé hơn thế ngưỡng, Transistor sẽ ngắt toàn bộ và dòng sẽ là zero Nếu thế cổng lớn hơn thế ngưỡng, lớp đảo được tạo thành và dòng được tạo ra

Hình 2.2 (a) MOSFET trạng thái off

(b) MOSFET trạng thái on Đối với linh kiện kích thước nano, FET dùng ống nano cacbon làm kênh dẫn Thông thường người ta chọn ống nano cacbon dạng zic zắc và đồng trục để làm kênh dẫn cho FET, do ống đồng trục có cấu trúc vật lý đối xứng nhau nên dễ dàng khảo sát điện tử đi qua kênh dẫn Transistor trường loại này gọi là CNTFET (Carbon Nanotube field – effect Transistor)

Với : S : Nguồn (Source)

G : Cổng (Gate) và D: M áng (Drain)

Hình 2.3 Mô hình của CNTFET [7]

Hình 2.4 Transistor dùng ống CNT làm kênh dẫn

Hình 2.5 Mô hình của CNTFET kênh N

Khi giữa cực nguồn và máng của một điện thế, dòng điện từ cực này chạy qua cực kia, thay đổi, biến thiên phụ thuộc vào điện thế tác dụng lên cực cổng Điện thế này gây ra điện trường làm thay đổi tính dẫn điện của lớp bán dẫn ở dưới cực cổng Điện thế này gây ra một điện trường làm thay đổi tính dẫn điện của lớp bán

dẫn ở dưới cực cổng và sự thay đổi làm cho transistor đơn tường có tác dụng khuếch đại rất mạnh Kích thước nhỏ nhất của CNTFET cũng phải cỡ micromet hoặc thấp hơn

Nếu ống CNT là bán dẫn, thì transistor có thể làm việc ở nhiệt độ thường và dòng điện đóng mở đến 1 triệu lần (106), dùng trong các trường hợp có đóng mở cực cao

Nếu ống CNT là kim loại, cấu tạo của Transistor trường với ống Nano có thể cho phép phát hiện nhiều hiệu ứng lượng tử vì ống CNT dẫn điện gần như là một dây lượng tử [4]

Để hiểu thêm về tính năng của CNTFET, ta có thể so sánh với MOSFET như sau:

Thành công từ công nghệ Silic hiện đại là nhờ mở rộng MOSFET Kênh của MOSFET có thể xem như là một hệ thống 2 – D, chuyển động của điện tử không hạn chế, nhưng do điện trường cổng cao, cho nên việc chuyển động vuông góc tới mặt phẳng cổng được lượng tử hóa bằng việc hình thành các vùng nhỏ, kênh dẫn có thể xem là khí điện tử 2 –D [3]

Ống CNT bán dẫn có thể hoạt động trong cấu hình điện cực cổng giống với MOSFET silic Các điện tử được định vị lại thành hệ thống các điện tử π có độ dẫn điện cao Nhưng không giống trong MOSFET silic, hệ thống điện tử này của ống Nano là 1 – D, nghĩa là phương trình chuyển động điện tử dạng một chiều, một thứ nguyên Khi đặt một điện trở cạnh ống nano cacbon, ta có thể chi phối độ dẫn của

nó bằng cách tích lũy hay làm nghèo điện tử làm cho mật độ điện tử không quá cao

Cấu hình này, gọi CNTFET tương tự như Transistor trường Silic Khi đặc tuyến điện của ống nano cacbon phụ thuộc mạnh vào sự đối xứng của nó, đường kính và chất pha tạp, thì các CNTFET có thể được điều khiển bằng chọn cấu trúc hình học thích hợp của ống CNT

Người ta thường chọn ống SWNT đơn tường là phù hợp cho CNTFET, vì hệ thống các điện tử của nó không có đường rẽ bằng các vỏ đan xen vào nhau bên

trong như là ống CNT đa tường (MWNT) Ngoài ra, ống đa tường buộc ta phải tính toán đến các cấu trúc nhiều vòng ống lồng vào nhau, khoảng cách giữa các ống …

Vì vậy, mô hình CNTFET trong đề tài này, tác giả sẽ xây dựng với ống Nano cacbon đơn tường

Bảng 2.1 là dữ liệu so sánh được rút ra từ một CNTFET kênh n, với 2 si- MOSFET hiện đại [3]

Bảng 2.1 – độ dẫn trong CNTFET lớn hơn nhiều so với hai loại MOSFET

Loại 1

MOSFETs Loại 2

ở 0.8 V thì CNTFETS vẫn hoạt động và cho dòng nguồn máng cao Mặt khác, thế cổng điều khiển Vg thấp (từ 0 V – 1 V)

Dựa vào bảng so sánh 2.1, khi chọn CNT làm kênh dẫn thì độ dẫn tốt hơn rất nhiều so với MOSFET loại 1 và 2 So sánh này chỉ ra rằng có nhiều khả năng để cải tiến công nghệ linh kiện điện tử FET dùng ống nano như hiện nay Jing Guo và các cộng sự đã nghiên cứu và báo cáo nhiều công trình về CNTFET [7], [13] Họ chỉ ra