Tiến Sĩ Nghiên cứu các tính chất điện tử, quang học và truyền dẫn của vật liệu graphene hướng tới các ứng dụ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
NĂM 2015
MỤC LỤC
Trang
1 TỔNG QUAN . 8
1.1 Khái quát về câu chuyện graphene . 8
1.2 Một số kiến thức nền tảng . 12
1.2.1 Lai hóa sp2
và các kiểu liên kết σ và π 12
1.2.2 Cấu trúc mạng tinh thể graphene 13
1.2.3 Các tính chất đối xứng của mạng tinh thể graphene .15
1.2.4 Cấu trúc vùng năng lượng của điện tử 15
1.2.5 Hệ thức tán sắc của các trạng thái năng lượng thấp - mô hình Dirac 18
1.2.6 Hàm sóng của các trạng thái kích thích năng lượng thấp .20
1.2.7 Mật độ trạng thái điện tử .21
1.2.8 Bài toán về cấu trúc vùng năng lượng điện tử của dải nano graphene
(graphene nanoribbons) 22
1.2.8.1 Dải nano graphene biên zigzag 23
1.2.8.2 Dải nano graphene biên armchair (tay vịn) .25
1.2.8.3 Gói (package) phần mềm mô phỏng về cấu trúc vùng năng
lượng điện tử của các dải nano graphene 28
1.3 Ứng dụng của graphene trong các ứng dụng điện tử và quang điện tử 30
2 CẤU TRÚC ĐIỆN TỬ VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA SIÊU MẠNG GRAPHENE .38
2.1 Giới thiệu . 38
2.2 Mô hình lý thuyết và phương pháp tính . 41
2.2.1 Tính toán cấu trúc vùng năng lượng .41
2.2.2 Tính toán đặc trưng hấp thụ quang .45
2.3 Kết quả và thảo luận 52
2.3.1 Tính chất điện tử của GSLs: sự định xứ kỳ lạ của một số trạng thái
điện tử 52
2.3.2 Tính chất quang của cấu trúc GSLs: sự suy giảm độ dẫn quang trong
miền năng lượng photon (0,U
) và sự phụ thuộc vào trạng thái phân
cực của photon .61
2.4 Kết luận chương 67
3 SỰ TRUYỀN DẪN ĐIỆN TỬ QUA BỀ MẶT TIẾP XÚC KIM LOẠI-GRAPHENE 69
3.1 Giới thiệu . 69
3.2 Mô hình lý thuyết và tính toán 72
3.3 Kết quả và thảo luận 76
3.4 Kết luận chương 80
4 MÔ PHỎNG LINH KIỆN GFETs .81
4.1 Giới thiệu . 81
4.2 Cấu trúc linh kiện, mô hình và phương pháp mô phỏng 81
4.2.1 Cấu trúc GFETs nghiên cứu .81
4.2.2 Phương pháp mô phỏng .83
4.2.2.1 Packages OPEDEVS: Module GFET .83
4.2.2.2 Kiến thức nền tảng của module GFETs .83
4.2.2.3 Phát triển module GFETs cho đối tượng nghiên cứu 89
4.3 Kết quả và thảo luận 92
4.3.1 Thế năng tĩnh điện và phân bố hạt tải .92
4.3.2 Đặc trưng truyền dẫn của GFETs .95
4.4 Kết luận chương 100
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ . 101
TÀI LIỆU THAM KHẢO 103
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN . 113
PHỤ LỤC . 114
Phụ lục 1. Bảng ma trận Hamiltonian của GSLs . 114
Phụ lục 2. Bảng ma trận vận tốc của GSLs 116
Phụ lục 3. Cách sử dụng module GFETs 120
GIỚI THIỆU CHUNG
1. Lý do chọn đề tài và khái quát luận án
Sự phát triển mạnh mẽ của nhiều lĩnh vực khoa học và kỹ thuật/công nghệ, nhất là lĩnh
vực điện tử và công nghệ thông tin, đã làm cho đời sống xã hội toàn cầu có nhiều diện mạo
mới. Có thể nói, các sản phẩm điện tử hiện nay có mặt khắp mọi nơi với giá thành rẻ, và
mặc dù nhỏ gọn nhưng lại có rất nhiều chức năng. Về mặt công nghệ, lý do chính dẫn đến
những thành quả như thế chính là nhờ những thành công trong việc phát triển các mạch
tích hợp (Integrated Circuit - IC) trong đó một số lượng lớn các linh kiện cơ bản (ví dụ như
các transistor, diot) đã được tích hợp một cách tối ưu. Như đã biết, mặc dù các transistor
hoạt động theo nguyên lý trường (chẳng hạn như các linh kiện MOSFET - Metal Oxide
Semiconductor Field-Effect Transistor) được sử dụng từ khá sớm, ngành công nghiệp điện
tử và bán dẫn chỉ thực sự đạt được bước triển nhảy vọt khi thiết bị với tên gọi CMOS
(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) được phát minh. Về cơ bản, CMOS có thể
được xem là một mạch tích hợp đơn giản nhất trong đó chỉ bao gồm hai linh kiện
MOSFET, một với với kênh dẫn loại p và một với kênh dẫn loại n, kết nối với nhau và hoạt
động theo cách bù trừ, bổ trợ cho nhau (khi p-MOSFET hoạt động thì n-MOSFET đóng,
và ngược lại). Hoạt động của mạch CMOS thực sự đã tạo ra một hệ thống đóng-mở hiệu
quả (tiêu tốn ít năng lượng) và do đó trở thành một yếu tố vật lý cơ bản trong các thiết bị
điện tử.
Có thể nói động lực thúc đẩy việc phát triển các mạch tích hợp là dựa trên ba yếu tố cơ
bản: i) nhu cầu gia tăng các chức năng của hệ thống, ii) nâng cao năng lực lưu trữ thông
tin, và iii) tối ưu và nâng cao tốc độ xử lý. Giải pháp thu nhỏ kích thước của các linh kiện
nền tảng (cho đến nay) được xem là rất thích hợp để có thể đáp ứng được đồng thời ba nhu
cầu này. Thực tế cho thấy, giải pháp này không những cho phép nâng cao mật độ linh kiện
cơ bản trên mạch IC mà còn làm tăng tốc độ hoạt động thiết bị. Sự phát triển của lĩnh vực
điện tử-bán dẫn thông qua việc thu nhỏ kích thước của linh kiện MOSFET có thể được
phản ánh rõ nét nhất thông qua cái được gọi là “định luật Moore” (ghi nhận qua bài báo
Moore viết cho tạp chí Electronics Magazine số ra ngày 19 tháng 4 năm 1965 nhân kỷ
niệm 35 năm ra đời của tạp chí này) diễn tả tốc độ tích hợp các linh kiện cơ bản trong
mạch IC: “Số lượng transistor trên mỗi đơn vị inch vuông sẽ tăng lên gấp đôi sau mỗi
năm." (1 inch vuông xấp xỉ 6,45 cm²). Thực tế tốc độ gia tăng không hoàn toàn chính xác
như vậy mà có những thay đổi song vẫn phản ánh đúng được tinh thần của phát biểu này
(chẳng hạn, năm 2000 chu kỳ của sự phát triển được sửa lại là 18 tháng). Sự đúng đắn đến
tài tình của nhận xét này từ khi ra đời đến nay đã không chỉ phán ánh các thành quả đạt
được mà còn là một mục tiêu phấn đấu của các nhà công nghiệp cũng như đối với các nhà
khoa học trong việc xác định đối tượng nghiên cứu trong giới hạn của nền công nghiệp
hiện thời.
Vào những năm đầu của thế kỷ 21, “định luật Moore” vẫn tỏ ra còn nghiệm đúng, mặc
dù nhiều vấn đề thách thức đã nảy sinh từ khá lâu, đặc biệt khi mà hàng tỷ transistors đã
được tích hợp thành công trong mỗi IC. Tuy nhiên, ngành công nghiệp điện tử và bán dẫn
đã và đang dần thay đổi trọng tâm của mình sang lĩnh vực nâng cao hiệu năng sử dụng
năng lượng trên tất cả các cấp độ. Vấn đề đặt ra trong thời kỳ này là tìm cách khai thác



hiệu quả hơn nữa khả năng tích hợp transistor để tiếp tục cải thiện vấn đề hiệu năng nhưng
vẫn nằm trong phạm vi cho phép về mặt công suất tiêu thụ năng lượng. Để tiếp tục tăng
hiệu năng hoạt động của các linh kiện điện tử bán dẫn phải giải phóng nhanh chóng lượng
nhiệt được sinh ra nhưng rõ ràng đây là một sự chuyển đổi khó giữa vấn đề sử dụng năng


lượng và công suất làm việc. Các linh kiện điện tử với công nghệ 22 nm hiện nay đã được
Intel đưa vào sản xuất. Khác với các công nghệ phẳng trước đó, nghĩa là các kênh dẫn điện
của các transistor được điều khiển bằng các điện cực cổng phẳng, công nghệ 22 nm sẽ sử
dụng một đột phá mới được gọi là công nghệ 3D. Đây chính là kết quả của những nghiên
cứu cơ bản trước đó trong lĩnh vực vật lý linh kiện, trong đó các kênh dẫn là các dây lượng
tử (quantum wires) và được điều khiển bằng các điện cực cổng hình chữ Ω (omega-gate)
bao quanh chu vi của kênh dẫn [49].
Tuy nhiên, có một điều chắc chắn là sẽ không thể tiếp tục kéo dài xu hướng thu nhỏ
kích thước linh kiện một cách liên tục và mãi mãi được. Về mặt vật lý, khi kích thước của
các cấu trúc như MOSFET đạt đến một giới hạn nào đó, các hiệu ứng lượng tử như hiệu
ứng giam cầm lượng tử, hiệu ứng chui ngầm lượng tử, hiệu ứng kết hợp pha lượng tử, hiệu
ứng dính lứu lượng tử, sẽ trở nên nổi trội và thậm chí có thể quy định hoạt động của các
cấu trúc linh kiện. Điều này chính là vấn đề then chốt mà các nhà vật lý và kỹ thuật đang lo
ngại khi tiếp tục giảm kích thước linh kiện bán dẫn. Thực tế, trong quá trình phát triển theo
xu hướng thu nhỏ kích thước linh kiện người ta đã nhận thấy một số các vấn đề liên quan
đến biểu hiện về độ tin cậy của các linh kiện và đã được đề cập đến thông qua khái niệm
“hiệu ứng kênh dẫn ngắn” (short channel effects). Tuy nhiên, theo lý thuyết scaling của
Robert Dennard đưa ra vào năm 1974 thì có thể giảm thiểu được các tác động của các hiệu
ứng kênh dẫn ngắn này nếu đồng thời giảm chiều dài và độ dày của kênh dẫn cũng như sử
dụng các loại vật liệu làm kênh dẫn có độ linh động của điện tử cao. Và như vậy, hiện nay
đang diễn ra hai xu hướng nghiên cứu cơ bản đó là:
i) tìm kiếm và khai thác các loại vật liệu tiên tiến có sự ổn định về cấu trúc và có độ
linh động của điện tử lớn;
ii) tìm tòi các thiết kế cấu trúc linh kiện mới mà có thể khai thác sử dụng được các hiệu
ứng vật lý mới xuất hiện trong các cấu trúc thấp chiều.
Với hướng nghiên thứ nhất, nghĩa là tìm kiếm các loại vật liệu mới, trong những năm 90
của thế kỷ trước với việc phát hiện ra ống cacbon nano (Carbon nanotubes) người ta đã cho
rằng chính cacbon, nguyên tố nền tảng của sự sống, có thể sẽ giúp giải quyết các vấn đề mà
công nghệ hiện thời đang gặp phải, và rất có thể khai sinh ra một thế hệ công nghệ mới
[41,101].
Hình M. 1 Một số cấu hình của cacbon
a) Kim cương, b) Than chì, c)Lonsdaleite, d) C60, e) C540, f) C70, g) Amorphous cacbon, h) Ống
nano cacbon đơn tường, k) Graphene và sự hình thành các cấu trúc nano khác từ graphene [5]
Hiện nay người ta đã biết đến rất nhiều dạng hình thù mà nguyên tố carbon có thể tồn