Đề tài Mô phỏng Đặc tuyến Volt – Ampere của Transistor trường phân tử sử dụng Phương pháp hàm Green không cân bằng (Phần 1)

Nội dung text: Đề tài Mô phỏng Đặc tuyến Volt – Ampere của Transistor trường phân tử sử dụng Phương pháp hàm Green không cân bằng (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG MƠ PHỎNG ĐẶC TUYẾN VOLT - AMPERE CỦA TRANSISTOR TRƯỜNG PHÂN TỬ SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP HÀM GREEN KHƠNG CÂN BẰNG MÃ SỐ: T2010 - 08 CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: Th.S LÊ HỒNG MINH THÀNH VIÊN: Th.S HÙYNH HỒNG TRUNG Th.S DƯƠNG THỊ CẨM TÚ Th.S VŨ THỊ NGỌC THU S K C 0 0 3 0 2 2 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, 2010
2. ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH   ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG MÔ PHỎNG ĐẶC TUYẾN VOLT – AMPERE CỦA TRANSISTOR TRƯỜNG PHÂN TỬ SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP HÀM GREEN KHÔNG CÂN BẰNG MÃ SỐ: T2010 - 8 Chủ nhiệm: ThS. Lê Hoàng Minh Thành viên: ThS. Huỳnh Hoàng Trung ThS. Dương Thị Cẩm Tú ThS. Vũ Thị Ngọc Thu TP. HỒ CHÍ MINH – 2010
3. MỤC LỤC Tóm tắt kết quả nghiên cứu 1 Mở đầu 3 Chương 1: Transistor trường phân tử vòng Benzene 5 1.1. Linh kiện điện tử Nano 5 1.2. Điện tử học phân tử 8 1.3. Những nghiên cứu liên quan đến đề tài 8 1.4. Transistor trường phân tử vòng Benzene 13 Chương 2: Kết quả mô phỏng Transistor trường phân tử vòng Benzene 23 2.1. Xây dựng mẫu Transistor trường phân tử 23 2.2. Dùng phần mềm MATLAB mô phỏng đặc trưng dòng - thế của transistor trường phân tử 25 2.3. Mô phỏng đặc trưng dòng - thế của transistor trường phân tử 26 2.4. Nhận xét về đặc trưng dòng - thế của transistor trường phân tử mô phỏng 29 2.5. Ảnh hưởng của kích thước phân tử Benzene dùng làm kênh dẫn 33 2.6. Ảnh hưởng nhiệt độ lên họ đặc trưng dòng - thế của transistor trường phân tử 36 2.7. Biểu thức giải tích của đặc trưng ID = f(VDS,VGS) 36 Kết luận 42 Tài liệu tham khảo 44 Phụ lục: Hợp đồng triển khai nhiệm vụ khoa học và công nghệ cấp trường
4. TĨM TẮT KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG Tên đề tài: Mô phỏng Đặc tuyến Volt – Ampere của Transistor trường phân tử sử dụng Phương pháp hàm Green không cân bằng. Mã số: T2010 – 8 Chủ nhiệm: ThS. Lê Hoàng Minh Thành viên: ThS. Huỳnh Hoàng Trung ThS. Dương Thị Cẩm Tú ThS. Vũ Thị Ngọc Thu Cơ quan chủ trì đề tài: ĐH Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh Thời gian thực hiện: từ 03/2010 đến 11/2010 1. Mục tiêu a. Tìm hiểu và xây dựng mô hình cấu trúc linh kiện điện tử nano Transistor phân tử vòng Benzene. b. Xây dựng mô hình toán học tính dòng - thế xuyên qua linh kiện. c. Sử dụng phần mềm MATLAB mô phỏng đặc trưng dòng - thế. d. Dựa vào kết quả mô phỏng xem xét ảnh hưởng các tham số kích thước, nhiệt độ, thế điều khiển ở cực cổng lên những đặc trưng dòng - thế. e. Biểu thức giải tích của đặc trưng dòng - thế ID = f(VDS,VGS). 2. Nội dung nghiên cứu a. Định hướng nghiên cứu và xác định cấu trúc linh kiện. b. Xây dựng mô hình toán học. c. Lập trình mô phỏng bằng MATLAB. d. Chạy thử, kiểm tra và đánh giá chương trình mô phỏng. e. Đưa ra biểu thức giải tích đặc trưng dòng - thế. 3. Kết quả chính đạt được Kết quả của đề tài (khi nghiệm thu) là mục tiêu ở mục 1 và nội dụng nghiên cứu ở mục 2. 4. Điểm mới a. Sử dụng lý thuyết của hàm Green trạng thái không cân bằng (The Non-Equilibrium Green’s Function - NEGF) và lý thuyết hàm mật độ
5. (Density Functional Theory – DFT) xây dựng mô hình toán học tính dòng qua transistor phân tử vòng Benzene. b. Đưa ra biểu thức giải tích của đặc trưng dòng - thế ID = f(VDS,VGS). c. So sánh đặc trưng dòng - thế của transistor phân tử với MOSFET. 5. Địa chỉ ứng dụng a. Bộ môn Vật lý, Khoa Khoa học Cơ bản, ĐH Sư phạm Kỹ thuật Tp. HCM. b. Bộ môn Kỹ thuật Điện tử, Khoa Điện - Điện tử, ĐH Sư phạm Kỹ thuật Tp. HCM. c. Bộ môn Điện tử, Khoa Điện tử - Viễn thông, ĐH Khoa học Tự nhiên Tp. HCM.
6. MỞ ĐẦU Trong những năm qua với sự phát triển vượt bậc của khoa học và công nghệ trên thế giới đã mang đến cho nhân loại những kết quả rất đáng trân trọng. Sự ra đời của khoa học và công nghệ nano là một quy luật tất yếu của sự tiến triển không ngừng của khoa học - kỹ thuật ở thời điểm hiện tại trên toàn thế giới. Mặc dù, công nghệ nano đã phát triển rất mạnh ở các nước tiên tiến trên thế giới như Anh, Pháp, Nhật, Mỹ, Hà Lan, nhưng đối với nước ta vẫn còn là một công nghệ mới. Khoa học và công nghệ nano về tương lai sẽ đóng một vai trò rất quan trọng trong các lĩnh vực vật lý, hoá học, vật liệu mới, điện tử, y học, cơ khí chế tạo, Theo sự phát triển của khoa học và đời sống ngày nay đòi hỏi các thiết bị điện tử lưu trữ và xử lý thông tin cực nhanh, kích thước siêu nhỏ, tiêu tán công suất cực thấp, hiệu suất sử dụng năng lượng cao, hoạt động ổn định ở dải nhiệt độ rộng và trong môi trường có áp lực lớn hay chân không. Công nghệ vi điện tử (micro-electronics) đã phát triển đến đỉnh cao và nảy sinh nhiều vấn đề cần phải giải quyết. Đó là động lực thúc đẩy mạnh mẽ những nghiên cứu về linh kiện điện tử kích thước nanomet: Nano-electronics [1]. Nano-electronics là một lĩnh vực hiện đang được nghiên cứu rất mạnh và hứa hẹn nhiều ứng dụng trong tương lai gần. Điện tử học phân tử (Molecular scale electronics) là một lĩnh vực của nano-electronics, là một lĩnh vực nghiên cứu tích cực cho công nghệ thông tin trong tương lai và cũng là cách tiếp cận mới có thể thay đổi cả nguyên tắc hoạt động lẫn vật liệu được sử dụng trong những linh kiện điện tử. Động cơ cho những thay đổi cơ bản như vậy là vì các phân tử có cấu trúc thang nanomet xuất hiện tự nhiên, không giống như những cấu trúc nano dựa trên cơ sở vật liệu bán dẫn. Các phân tử được làm giống nhau chính xác, giá thành rẻ, chế tạo dễ dàng và có thể đưa vào sản xuất công nghiệp đại trà các máy tính điện tử nano có mật độ cực cao [2]. Hai thách thức có ý nghĩa là phải chế tạo ra các cấu trúc phân tử hoạt động giống như chuyển mạch điện, như diode hay transistor và phải lắp ráp các phân tử này thành những cấu trúc mở rộng chính xác với độ tin cậy cao [1], [2]. Những điều đó được trông đợi để có thể thực hiện được giới hạn vật lý theo quy luật
7. Moore, cũng như những giải pháp cho vấn đề làm nhỏ kích thước những mạch tích hợp dựa trên nền tảng Silic truyền thống (micro-electronics), thậm chí còn nhỏ hơn nữa [2], [4]. Sự chế tạo những yếu tố điện tử tích cực cơ bản trên với những phân tử được xem như là một trọng tâm được thực hiện qua thực nghiệm tại các phòng thí nghiệm lớn trên thế giới trong những năm gần đây. Tuy nhiên, những cơ chế vận chuyển của điện tử cho hầu hết các linh kiện điện tử phân tử vẫn còn đang tranh luận. Mô hình lý thuyết dựa trên những nguyên tắc, những cách thức hoạt động đầu tiên có vai trò quan trọng trong lĩnh vực nghiên cứu này [4], [5]. Transistor phân tử (Molecular transistor) là ứng viên đầy hứa hẹn để thay thế Transistor trường MOSFET trong tương lai vì kích thước cực nhỏ (khoảng 10nm), tiệu thụ công suất thấp và tốc độ xử lý cao [1], [3], [4], [5], [6]. Trước viễn cảnh của micro-electronics và xét thấy tính khả thi của Transistor phân tử, chúng tôi chọn đề tài ‚Mô phỏng Đặc tuyến Volt – Ampere của Transistor trường phân tử sử dụng Phương pháp hàm Green không cân bằng‛. Trong đề tài này, chúng tôi sẽ xây dựng mô hình cấu trúc vật lý, xây dựng mô hình toán học tính dòng qua Transistor phân tử sử dụng phương pháp hàm Green không cân bằng và cuối cùng đặc trưng dòng - thế của Transistor phân tử. Chương trình mô phỏng sử dụng GUI trong MatLab. Chúng tôi sẽ nhận thấy sự khác nhau giữa đặc trưng dòng - thế của Transistor phân tử và MOSFET truyền thống. Thêm vào đó, ảnh hưởng của vật liệu, nhiệt độ và điện thế thiên áp đến đặc trưng dòng - thế của Transistor phân tử cũng sẽ được khảo sát. Nhờ GUI trong MatLab, những kết quả mô phỏng được thể hiện một cách trực quan. Sau cùng, tác giả chúng tôi đưa ra biểu thức giải tích đặc trưng dòng - thế ID = f(VDS) của transistor phân tử. Trong đề tài này, chúng tôi cũng muốn khẳng định ‚mô phỏng‛ là một công cụ quan trọng giúp những nhà khoa học có khả năng rút ngắn thời gian và giảm chi phí nghiên cứu một cách đáng kể. Tuy đã rất cố gắng trong quá trình thực hiện đề tài, xong không tránh khỏi những thiếu sót, tác giả rất mong những ý kiến đóng góp quý báu của quý thầy giáo, cô giáo đồng nghiệp và các bạn đọc để tác giả có thể nghiên cứu sâu hơn, đi xa hơn trong lĩnh vực công nghệ linh kiện điện tử nano.
8. CHƯƠNG 1: TRANSISTOR TRƯỜNG PHÂN TỬ VÒNG BENZENE 1.1. LINH KIỆN ĐIỆN TỬ NANO Khoa học và đời sống đòi hỏi có các thiết bị điện tử siêu nhỏ, tiêu tán công suất thấp, hiệu suất sử dụng năng lượng cao, hoạt động ổn định ở dải nhiệt độ rộng, trong môi trường có áp lực lớn hay chân không. Đó là động lực thúc đẩy mạnh mẽ những nghiên cứu về linh kiện điện tử. Hình 1.1: Quy luật Moore cho thấy số transistor trên một chip mạch vi điện tử tích hợp cứ 18 tháng tăng lên gấp đôi. Từ những năm 1960 của thế kỷ XX có một công nghệ nổi trội, ảnh hưởng to lớn đến nhiều ngành công nghệ khác, làm thay đổi cả đời sống xã hội, đó là công nghệ vi điện tử. Nhờ có công nghệ vi điện tử mới có công nghệ thông tin, công nghệ thông tin đã làm cho xã hội trở thành xã hội thông tin, xuất hiện nền kinh tế tri thức, xu thế toàn cầu hoá [1]. Những phát triển nhanh chóng của xã hội hiện nay đều liên quan đến sự phát triển của công nghệ vi điện tử, công nghệ mới từ gần bốn mươi năm qua luôn phát triển theo hàm mũ. Thật vậy, từ cuối những năm 1960, Gordon Moore người đồng
9. sáng lập hãng Intel (Mỹ) đã đưa ra nhận xét, về sau người ta gọi là quy luật Moore: Cứ 18 tháng số transistor trên một chip mạch vi điện tử tăng lên gấp đôi. Cho đến nay, quy luật Moore vẫn được thực tế nghiệm đúng. Số transistor tích hợp trên một chip tăng nhanh như vậy, tất nhiên là đi đôi với việc diện tích cần cho một transistor ở trên chip cũng giảm theo hàm mũ [1, 2]. Hình 1.2: Số transistor trên một chip mạch vi điện tử tăng lên đi đôi với kích thước transistor giảm. Như vậy, theo quy luật Moore và đúng như diễn biến thực tế của công nghệ vi điện tử, kích thước linh kiện trong mạch tích hợp đến nay đã nhỏ hơn micromet và nếu cứ theo đúng quy luật Moore thì đến năm 2010, kích thước linh kiện chỉ vài phần trăm micromet [1]. Theo dự báo của Hiệp hội Công nghệ bán dẫn quốc tế (ITRS – SIA’s International Technology Roadmap for Semiconductors) kích thước của transistor có thể giảm xuống dưới 100 nm (cỡ 30 - 50 nm), chiều dài của điện cực cổng G của MOSFET sẽ dưới 10nm đến năm 2014. Thực tế hiện nay kích thước transistor đã giảm đến 45 nm [3]. Con đường từ vi điện tử đến điện tử nano không phải là con đường tiếp tục làm linh kiện nhỏ dần, từ micromet đến nanomet mà là con đường cách mạng: tìm những linh kiện làm việc theo những nguyên tắc vật lý mới khi kích thước linh kiện quá nhỏ, tìm những công nghệ chế tạo mới khi phải tích hợp quá nhiều linh kiện trên chip [1].
10. Hình 1.3: Phân loại linh kiện điện tử có kích thước nanomet. Xu hướng hiện nay là có hai cách sau:  Tiếp tục con đường vật lý chất rắn dùng các vật liệu bán dẫn làm các linh kiện hoạt động theo những nguyên lý mới, dựa theo hiệu ứng lượng tử để đạt đến kích thước nano. Hiện nay, bắt đầu xuất hiện các linh kiện như: Chấm lượng tử (Quantum Dot - QD), transistor đơn điện tử (Single Electron Transistor - SET), linh kiện đường hầm cộng hưởng (Resonant Tunneling Device - RTD), có thể làm linh kiện lai giữa vi điện tử và điện tử nano là transistor đường hầm cộng hưởng (Resonant Tunneling Transistor - RTT) gồm transistor hiệu ứng trường FET ghép với nhiều linh kiện đường hầm cộng hưởng RTD. Hoặc cũng theo con đường của vật lý chất rắn nhưng chuyển sang điều khiển spin của điện tử bằng điện trường: Spin điện tử học.  Dùng phân tử để làm linh kiện, gọi là điện tử học kích thước phân tử (Molecular Scale Electronics). Cũng là kích thước nano, cũng là tính chất lượng tử nhưng thuộc thế giới phân tử, có nhiều đặc thù mà thế giới vật rắn không có. Điện tử phân tử là cách tiếp cận tương đối mới có thể thay đổi cả nguyên tắc hoạt động lẫn vật liệu được sử dụng trong linh kiện điện tử phân tử [2].
11. 1.2. ĐIỆN TỬ HỌC PHÂN TỬ Điện tử phân tử là loại linh kiện phân tử sử dụng các hiệu ứng lượng tử, chịu sự chi phối động học điện tử, trong giới hạn kích thước nano nên có thay đổi cả nguyên tắc hoạt động lẫn vật liệu sử dụng. Các phân tử (hay nguyên tử) vật chất vốn có cấu tạo giống nhau, giá thành rẻ là một lợi thế trong sản xuất công nghiệp cho các chip điện tử có mật độ linh kiện cực cao. Vấn đề là phải tìm ra vật liệu cấu trúc phân tử có hiệu ứng diode hay transistor và thực hiện nó thành linh kiện điện tử chính xác. Điện tử phân tử sử dụng chính cấu trúc phân tử liên kết đồng hoá trị được cách điện với một nền khối. Những linh kiện điện tử phân tử dây hay chuyển mạch bao gồm các phân tử riêng hoặc có cấu trúc siêu phân tử, hình thành trên cơ sở ‚điện tử học phân tử‛. Có ít nhất bốn loại linh kiện chuyển mạch điện tử phân tử đã và đang được nghiên cứu: - Linh kiện chuyển mạch điện tử phân tử điều khiển bằng điện trường, bao gồm các linh kiện dựa trên các hiệu ứng lượng tử phân tử. - Linh kiện cơ điện tử phân tử, sử dụng các lực được áp vào bằng điện hay cơ học để thay đổi cấu tạo hoặc làm chuyển động các phân tử hay một nhóm các phân tử để đóng mở dòng gây nên hiệu ứng chuyển mạch. - Linh kiện chuyển mạch phân tử quang hoạt, sử dụng ánh sáng để thay đổi hình dạng, định hướng hay cấu hình điện tử của phân tử gây nên hiệu ứng chuyển mạch. - Linh kiện phân tử cơ điện tử, sử dụng phản ứng điện hoá để thay đổi hình dạng, định hướng hoặc cấu hình điện tử của một phân tử gây nên hiệu ứng chuyển mạch. Đề tài này nghiên cứu về những linh kiện điện tử phân tử có ba điện cực điều khiển bằng điện trường: Transistor phân tử (Molecular Transistors - MTs) vòng Benzene C6H4S2. Transistor phân tử là linh kiện có tính khả thi về mặt công nghệ trong tương lai gần và là linh kiện có nhiều hứa hẹn nhất. 1.3. NHỮNG NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI Vào những năm 1940, Robert Mulliken và Albert Szent - Gyorgi nghiên cứu sự di chuyển điện tích bên trong những hệ thống phân tử ‚cho - nhận‛. Từ đó,
12. mở rộng phạm vi thực nghiệm và những nghiên cứu lý thuyết về quá trình di chuyển điện tích và di chuyển năng lượng trong những phân tử. Có lẽ lý thuyết đầu tiên của điện tử học phân tử cho những linh kiện điện tử là từ một bài báo của Avi Aviram và Mark Ratner nghiên cứu về những đặc trưng dòng - thế của chỉnh lưu phân tử vào năm 1974. Lý thuyết của Aviram và Ratner xây dựng một linh kiện điện tử phân tử rất đơn giản, một diode chỉnh lưu, dựa trên cơ sở sử dụng một phân tử hữu cơ đơn. Họ xem xét một phân tử với cấu trúc cho - vùng trống - nhận (donor - spacer - acceptor: D -  - A) kết nối tới những điện cực kim loại có thể tồn tại đặc trưng dòng - thế giống như diode PN bán dẫn (micro-electronics) truyền thống trong đó một trong hai điện cực đóng vài trò như điện cực nguồn (Source electrode) và còn lại là điện cực máng (Drain electrode) của dòng điện. Ở đây, D là chất cho điện tử với thế ion hoá thấp, A là chất nhận điện tử với ái lực điện tử cao trong những hệ thống , và  (methylene) là vùng đồng hoá trị có tính chất đường hầm bắc cầu được cho ngang bằng vùng điện tích không gian nghèo tại giao diện PN. Sau khi phân tích cấu trúc điện tử những thành phần riêng lẻ của hệ thống, Aviram và Ratner kết luận linh kiện có thể hoạt động như một chỉnh lưu, cho phép dòng điện tử chảy từ điện cực này đến điện cực kia chỉ khi một trong hai điện cực tồn tại sự phân cực của điện thế thiên áp. Chỉnh lưu phân tử do Aviram và Ratner trình bày lúc bây giờ được xem là những khái niệm đầu tiên về linh kiện điện tử phân tử, có nghĩa là đặc tính vận chuyển điện tử của linh kiện là tập hợp những đặc tính của một phân tử đơn. Tại thời điểm này, việc hiện thực một linh kiện điện tử phân tử bất kỳ là hoàn toàn không khả thi và đề nghị của họ chỉ được xem như là giả thuyết lý thuyết. Mặc dù vậy, nó đã đánh dấu sự khởi đầu của một lĩnh vực nghiên cứu phát triển tăng dần ngày nay gọi là điện tử thang phân tử hay điện tử phân tử. Sau đó, nhiều nhóm nghiên cứu đã thực hiện việc xây dựng những linh kiện điện tử phân tử dựa trên cơ sở những nguyên lý như vậy [2]. Năm 1990, sự quan tâm trong lĩnh vực đã tăng nhanh. Tour và cộng sự của ông đã tổng hợp chuyển mạch do Aviram và Ratner đề xuất và các kiểu khác nhau của chỉnh lưu phân tử đã được thực hiện. Nhiều công trình được thực hiện để đo độ dẫn và các tính chất điện của các phần tử riêng hay mô phỏng chúng [2]. Cùng với một số phương pháp mới rất nhạy cho việc tạo ảnh (kính hiển vi điện tử đường hầm quét - STM, kính hiển vi lực nguyên tử - AFM), thao tác và chế tạo
13. các cấu trúc phân tử và siêu phân tử, quá trình thu nhỏ kích thước của các linh kiện điện tử đã phát triển nhanh chóng. Cấu trúc RTD phân tử do Reed và Tour đề nghị được tạo nên từ polyphenylene làm nền tảng và chèn hai nhóm CH2 methylene béo vào dây phân tử polyphenylen, chính giữa là vòng chất béo. Cấu trúc bao gồm hai rào thế - CH2 - xen giữa là một giếng (đảo - island là vòng chất béo). Theo cơ học lượng tử, các điện tử có thể xuyên hầm từ bên ngoài vào trong giếng dưới các điều kiện thích hợp [1], [2]. Cấu trúc và cơ chế hoạt động đối với RTD phân tử do Reed, Tour và cộng sự của họ đề nghị. Về sau này, Aviram và Ratner đã trình bày chi tiết một Transistor hiệu ứng trường phân tử đơn vào năm 1998 [2],[3]. A. Aviram và M. Ratner đã đề xuất mô hình một Transistor hiệu ứng trường phân tử đơn gọi là Transistor phân tử (Molecular Transistors), mở đầu cho lĩnh vực nghiên cứu linh kiện điện tử học phân tử ba điện cực có cấu trúc giống như MOSFET truyền thống nhưng kênh dẫn bấy giờ được thay bằng các phân tử hữu cơ [2]. Về mặt thực nghiệm hiện nay chưa có những thao tác chính xác trong quá trình chế tạo và cũng chưa có những tiêu chuẩn đo lường cấu trúc nguyên tử của những tiếp xúc phân tử với điện cực kim loại. Cho nên, những nhà khoa học nghiên cứu về Transistor phân tử lựa chọn phương pháp tiếp cận hiệu quả là phân tích, xây dựng mô hình linh kiện, xây dựng mô hình toán học tính dòng, từ đó mô phỏng độ dẫn điện và những đặc trưng dòng - thế của phân tử.