Luận án nghiên cứu tính chất điện tử quang học và ứng dụng của vật liệu graphene

Tài liệu nghiên cứu Luận án nghiên cứu các tính chất điện tử quang học và truyền dẫn của vật liệu graphene hướng tới, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên

• Đề tài: Nghiên Cứu Tính Chất Điện Tử Và Quang Học Của Graphene Cho Ứng Dụng Điện Tử

Mục lục chi tiết

• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
• GIỚI THIỆU CHUNG
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Khái quát về câu chuyện graphene
• 1.2. Một số kiến thức nền tảng
• 1.2.1. Lai hóa sp2 và các kiểu liên kết σ và π
• 1.2.2. Cấu trúc mạng tinh thể graphene
• 1.2.3. Các tính chất đối xứng của mạng tinh thể graphene
• 1.2.4. Cấu trúc vùng năng lượng của điện tử
• 1.2.5. Hệ thức tán sắc của các trạng thái năng lượng thấp - mô hình Dirac
• 1.2.6. Hàm sóng của các trạng thái kích thích năng lượng thấp
• 1.2.7. Mật độ trạng thái điện tử
• 1.2.8. Bài toán về cấu trúc vùng năng lượng điện tử của dải nano graphene (graphene nanoribbons)
• 1.2.8.1. Dải nano graphene biên zigzag
• 1.2.8.2. Dải nano graphene biên armchair (tay vịn)
• 1.2.8.3. Gói (package) phần mềm mô phỏng về cấu trúc vùng năng lượng điện tử của các dải nano graphene
• 1.3. Ứng dụng của graphene trong các ứng dụng điện tử và quang điện tử
• 2. CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC ĐIỆN TỬ VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA SIÊU MẠNG GRAPHENE
• 2.1. Mô hình lý thuyết và phương pháp tính
• 2.1.1. Tính toán cấu trúc vùng năng lượng
• 2.1.2. Tính toán đặc trưng hấp thụ quang
• 2.2. Kết quả và thảo luận
• 2.2.1. Tính chất điện tử của GSLs: sự định xứ kỳ lạ của một số trạng thái điện tử
• 2.2.2. Tính chất quang của cấu trúc GSLs: sự suy giảm độ dẫn quang trong miền năng lượng photon (0,Ub) và sự phụ thuộc vào trạng thái phân cực của photon
• 2.3. Kết luận chương
• 3. CHƯƠNG 3: SỰ TRUYỀN DẪN ĐIỆN TỬ QUA BỀ MẶT TIẾP XÚC KIM LOẠI-GRAPHENE
• 3.1. Mô hình lý thuyết và tính toán
• 3.2. Kết quả và thảo luận
• 3.3. Kết luận chương
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG LINH KIỆN GFETs
• 4.1. Cấu trúc linh kiện, mô hình và phương pháp mô phỏng
• 4.1.1. Cấu trúc GFETs nghiên cứu
• 4.1.2. Phương pháp mô phỏng
• 4.1.2.1. Packages OPEDEVS: Module GFET
• 4.1.2.2. Kiến thức nền tảng của module GFETs
• 4.1.2.3. Phát triển module GFETs cho đối tượng nghiên cứu
• 4.2. Kết quả và thảo luận
• 4.2.1. Thế năng tĩnh điện và phân bố hạt tải
• 4.2.2. Đặc trưng truyền dẫn của GFETs
• 4.3. Kết luận chương
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
• Bảng ma trận Hamiltonian của GSLs
• Bảng ma trận vận tốc của GSLs
• Cách sử dụng module GFETs

Tóm tắt

I. Khám phá Graphene Tổng quan tính chất điện tử quang học

Graphene, một lớp đơn nguyên tử carbon sắp xếp theo cấu trúc mạng tổ ong, đã mở ra một kỷ nguyên mới cho khoa học vật liệu kể từ khi được phát hiện vào năm 2004 bởi Andre Geim và Konstantin Novoselov. Được xem là vật liệu 2D mỏng nhất thế giới, graphene sở hữu những đặc tính vật lý phi thường, trở thành tâm điểm trong nghiên cứu các tính chất điện tử và quang học của graphene cho ứng dụng điện tử. Cấu trúc độc đáo này không chỉ mang lại độ bền cơ học vượt trội mà còn tạo ra các tính chất điện tử và quang học kỳ lạ. Các electron trong graphene hành xử như các fermion Dirac không khối lượng, di chuyển với vận tốc cực cao, xấp xỉ 1/300 tốc độ ánh sáng. Đặc tính này mang lại cho graphene độ linh động hạt tải (electron mobility) khổng lồ, lên tới 200,000 cm²/V·s ở nhiệt độ phòng, cao hơn nhiều so với silicon. Về mặt quang học, graphene gần như trong suốt, chỉ hấp thụ khoảng 2.3% ánh sáng trắng đi qua, một hằng số chỉ phụ thuộc vào các hằng số vật lý cơ bản. Sự kết hợp giữa tính dẫn điện của graphene xuất sắc và độ trong suốt quang học cao làm cho nó trở thành ứng cử viên lý tưởng cho các linh kiện quang điện tử, như điện cực trong suốt cho pin mặt trời graphene và màn hình cảm ứng dẻo. Nghiên cứu sâu về các đặc tính này là nền tảng để khai phá tiềm năng to lớn của graphene, hứa hẹn thay thế các vật liệu truyền thống và thúc đẩy một cuộc cách mạng trong công nghệ.

1.1. Phân tích cấu trúc tinh thể và mạng carbon của Graphene

Nền tảng cho các đặc tính độc đáo của graphene chính là cấu trúc tinh thể graphene. Nó bao gồm các nguyên tử carbon liên kết với nhau qua lai hóa sp², tạo thành một mạng carbon hình lục giác phẳng hoàn hảo. Mỗi nguyên tử carbon liên kết cộng hóa trị với ba nguyên tử carbon lân cận, hình thành các liên kết σ (sigma) cực kỳ bền vững nằm trong mặt phẳng. Các liên kết này tạo nên bộ khung cơ học vững chắc cho vật liệu. Electron còn lại của mỗi nguyên tử carbon nằm trong orbital pz, vuông góc với mặt phẳng. Các orbital pz này xen phủ với nhau tạo thành các liên kết π (pi) trải rộng trên toàn bộ mạng lưới. Chính các electron π linh động này quyết định phần lớn các tính chất điện tử của graphene, cho phép chúng di chuyển tự do và tạo ra tính dẫn điện của graphene vượt trội. Theo tài liệu nghiên cứu, mạng tinh thể này có thể được xem như sự lồng ghép của hai mạng con tam giác A và B, là cơ sở để xây dựng các mô hình lý thuyết như mô hình liên kết chặt (Tight-Binding).

1.2. Điểm Dirac và cấu trúc vùng năng lượng điện tử đặc biệt

Cấu trúc vùng năng lượng của graphene là một trong những đặc điểm hấp dẫn nhất. Không giống các chất bán dẫn thông thường có vùng cấm, vùng dẫn và vùng hóa trị của graphene tiếp xúc với nhau tại sáu điểm đặc biệt trong vùng Brillouin, được gọi là các điểm Dirac. Tại những điểm này, mối quan hệ tán sắc năng lượng (mối quan hệ giữa năng lượng và động lượng) là tuyến tính, tạo thành các hình nón gọi là nón Dirac. Hệ quả là các hạt tải điện (electron và lỗ trống) gần các điểm Dirac hành xử như các hạt tương đối tính không có khối lượng nghỉ. Điều này giải thích tại sao độ linh động hạt tải trong graphene lại cao đến vậy. Việc không có vùng cấm graphene (bandgap bằng không) khiến nó trở thành một chất bán kim loại, luôn dẫn điện. Đây vừa là một ưu điểm cho các ứng dụng cần độ dẫn cao, vừa là một thách thức lớn khi chế tạo các linh kiện bán dẫn logic yêu cầu trạng thái "tắt" rõ ràng.

II. Thách thức ứng dụng Graphene Vùng cấm và độ dẫn điện

Mặc dù sở hữu nhiều đặc tính ưu việt, việc triển khai tính chất điện tử và quang học của graphene cho ứng dụng điện tử trên quy mô công nghiệp phải đối mặt với nhiều thách thức đáng kể. Trở ngại lớn nhất đến từ chính cấu trúc điện tử độc đáo của nó: sự thiếu vắng một vùng cấm graphene. Trong các linh kiện bán dẫn truyền thống như MOSFET, vùng cấm năng lượng là yếu tố cốt lõi cho phép linh kiện chuyển đổi giữa trạng thái "bật" (dẫn điện) và "tắt" (cách điện). Graphene, với vùng cấm bằng không, luôn ở trạng thái dẫn điện, khiến cho tỉ số bật/tắt (on/off ratio) của các transistor hiệu ứng trường (FET) làm từ graphene rất thấp, thường chỉ khoảng 2-20, không đủ cho các ứng dụng logic kỹ thuật số đòi hỏi tỉ số này phải lớn hơn 10³. Một thách thức khác là vấn đề điện trở tiếp xúc giữa graphene và các điện cực kim loại. Việc tạo ra một tiếp xúc omic (ohmic contact) hiệu quả và ổn định là rất khó khăn, ảnh hưởng đến hiệu suất chung của linh kiện. Ngoài ra, các phương pháp sản xuất graphene chất lượng cao trên diện rộng như phương pháp CVD (Chemical Vapor Deposition) vẫn còn tốn kém và thường tạo ra các khuyết tật trong mạng tinh thể, làm suy giảm độ linh động hạt tải và các tính chất mong muốn. Việc khắc phục những rào cản này là chìa khóa để hiện thực hóa tiềm năng của graphene.

2.1. Vấn đề vùng cấm bằng không và hạn chế trong linh kiện số

Vấn đề cốt lõi hạn chế graphene trong điện tử logic là vùng cấm graphene bằng không. Khi một transistor hiệu ứng trường (FET) sử dụng kênh dẫn graphene, dù điện áp cổng được điều khiển để làm nghèo hạt tải, dòng điện rò rỉ vẫn ở mức cao do luôn tồn tại các trạng thái năng lượng cho electron dịch chuyển. Điều này dẫn đến công suất tiêu thụ tĩnh lớn và không thể tạo ra trạng thái "tắt" hoàn toàn. Theo các nghiên cứu thực nghiệm được trích dẫn, các GFETs (Graphene FETs) đời đầu chỉ đạt tỉ số bật/tắt rất thấp, không đáp ứng tiêu chuẩn của công nghệ CMOS. Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học đang nghiên cứu các phương pháp "mở" vùng cấm, chẳng hạn như sử dụng dải nano graphene (graphene nanoribbons) hoặc graphene hai lớp có điều khiển bằng điện trường.

2.2. Điện trở tiếp xúc và hiệu ứng kênh dẫn ngắn trong linh kiện

Khi tích hợp graphene vào các linh kiện bán dẫn, giao diện giữa kênh dẫn graphene và các điện cực kim loại (nguồn/máng) đóng vai trò quan trọng. Các nghiên cứu chỉ ra rằng việc hình thành một tiếp xúc có điện trở thấp là một thách thức lớn. Sự khác biệt về công thoát giữa kim loại và graphene có thể tạo ra rào cản Schottky, làm tăng điện trở tiếp xúc và hạn chế dòng điện được bơm vào kênh dẫn. Hơn nữa, khi thu nhỏ kích thước linh kiện, các "hiệu ứng kênh dẫn ngắn" (short-channel effects) trở nên rõ rệt. Trong graphene, hiệu ứng chui ngầm Klein, nơi các hạt tải có thể xuyên qua rào cản thế một cách dễ dàng, làm trầm trọng thêm vấn đề dòng rò và khiến việc kiểm soát dòng điện bằng điện cực cổng trở nên kém hiệu quả hơn, đặc biệt ở các kênh dẫn siêu ngắn.

III. Hướng dẫn nghiên cứu tính chất điện tử và quang học Graphene

Để hiểu rõ và khai thác tính chất điện tử và quang học của graphene cho ứng dụng điện tử, các nhà khoa học sử dụng kết hợp nhiều phương pháp nghiên cứu, từ lý thuyết, mô phỏng đến thực nghiệm. Về mặt lý thuyết, phương pháp gần đúng liên kết chặt (Tight-Binding Approximation) là một công cụ mạnh mẽ và trực quan để tính toán cấu trúc vùng năng lượng. Phương pháp này mô tả sự tương tác giữa các electron trên các orbital pz, từ đó giải thích được sự hình thành của các điểm Dirac và quan hệ tán sắc tuyến tính. Đối với các hệ thống phức tạp hơn hoặc cần độ chính xác cao hơn, các tính toán từ nguyên lý đầu dựa trên Lý thuyết phiếm hàm mật độ (mô phỏng DFT) được áp dụng. Những mô phỏng này cho phép nghiên cứu chi tiết về tương tác của graphene với các vật liệu khác, chẳng hạn như lớp đế hoặc điện cực kim loại. Về thực nghiệm, việc tổng hợp graphene chất lượng cao là bước đầu tiên. Phương pháp bóc tách cơ học sử dụng băng dính, dù đơn giản, vẫn tạo ra các mẫu graphene có chất lượng tốt nhất cho nghiên cứu cơ bản. Trong khi đó, phương pháp CVD trên đế kim loại (đồng, niken) cho phép sản xuất graphene trên diện rộng, phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp. Các đặc tính sau đó được khảo sát bằng nhiều kỹ thuật đo lường tiên tiến như kính hiển vi lực nguyên tử (AFM), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), và các phép đo điện trở và hiệu ứng Hall lượng tử.

3.1. Mô hình liên kết chặt Tight Binding và mô phỏng DFT

Phương pháp gần đúng liên kết chặt là công cụ lý thuyết nền tảng trong nghiên cứu graphene. Nó đơn giản hóa bài toán nhiều electron bằng cách chỉ xem xét tương tác giữa các nguyên tử lân cận gần nhất. Mặc dù đơn giản, mô hình này đã dự đoán chính xác nhiều đặc tính cơ bản, bao gồm cấu trúc nón Dirac và mật độ trạng thái điện tử. Để khảo sát các hiệu ứng phức tạp hơn như ảnh hưởng của tạp chất, khuyết tật mạng, hay tương tác với bề mặt kim loại, các nhà nghiên cứu chuyển sang mô phỏng DFT. Công cụ này giải phương trình Schrödinger cho một hệ nhiều hạt, cung cấp thông tin chi tiết về cấu trúc điện tử, năng lượng liên kết, và sự phân bố điện tích. Luận án gốc đã sử dụng cả hai phương pháp này để phân tích cấu trúc Graphene siêu mạng (GSLs) và bề mặt tiếp xúc kim loại-graphene.

3.2. Các phương pháp tổng hợp Bóc tách cơ học và lắng đọng CVD

Hai phương pháp chính để tạo ra graphene là bóc tách cơ học và lắng đọng hóa học từ pha hơi (phương pháp CVD). Phương pháp bóc tách, do Geim và Novoselov tiên phong, sử dụng băng dính để tách các lớp graphene từ than chì. Phương pháp này tạo ra các tấm graphene đơn lớp với chất lượng tinh thể gần như hoàn hảo, lý tưởng cho các nghiên cứu vật lý cơ bản về độ linh động hạt tải và hiệu ứng Hall lượng tử. Tuy nhiên, nó không thể sản xuất trên quy mô lớn. Ngược lại, phương pháp CVD cho phép nuôi cấy các màng graphene có diện tích lớn (lên tới hàng mét vuông) trên các tấm đế kim loại. Graphene tạo ra từ CVD phù hợp hơn cho các ứng dụng thực tiễn như màn hình cảm ứng dẻo và điện cực trong suốt, mặc dù chất lượng tinh thể có thể không bằng phương pháp bóc tách.

IV. Bí quyết điều chỉnh tính chất Graphene cho ứng dụng điện tử

Để vượt qua những thách thức cố hữu, đặc biệt là vấn đề vùng cấm bằng không, các nhà nghiên cứu đã phát triển nhiều bí quyết để điều chỉnh và kiểm soát tính chất điện tử và quang học của graphene cho ứng dụng điện tử. Một trong những hướng đi hiệu quả nhất là giới hạn không gian của graphene theo một chiều để tạo ra các dải nano graphene (Graphene Nanoribbons - GNRs). Hiệu ứng giam cầm lượng tử trong các dải hẹp này sẽ mở ra một vùng cấm graphene, và độ rộng của vùng cấm có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi bề rộng của dải. Một phương pháp khác là tạo ra các cấu trúc siêu mạng (Graphene Superlattices - GSLs) bằng cách đặt graphene lên một lớp đế có các điện cực tuần hoàn bên dưới. Điện trường tuần hoàn này làm thay đổi cấu trúc vùng năng lượng, tạo ra các nón Dirac phụ và điều biến độ hấp thụ quang. Hóa học bề mặt cũng là một công cụ mạnh mẽ. Bằng cách chức năng hóa graphene, ví dụ như hydro hóa hoặc oxy hóa để tạo ra oxit graphene khử (rGO), các tính chất điện tử có thể được thay đổi một cách đáng kể. Những phương pháp này không chỉ giải quyết bài toán vùng cấm mà còn mở ra những khả năng mới trong lĩnh vực quang tử học (photonics) và plasmonics.

4.1. Tạo vùng cấm năng lượng bằng dải nano graphene GNRs

Dải nano graphene (GNRs) là các dải graphene có chiều rộng ở quy mô nanomet. Khi các electron bị giam cầm trong chiều hẹp này, các mức năng lượng của chúng bị lượng tử hóa, dẫn đến việc mở ra một vùng cấm. Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm cho thấy độ rộng vùng cấm tỉ lệ nghịch với chiều rộng của dải. Hơn nữa, cấu trúc biên của GNRs (zigzag hoặc armchair) cũng ảnh hưởng mạnh mẽ đến tính chất điện tử. Các dải armchair có thể là bán dẫn hoặc kim loại tùy thuộc vào chiều rộng, trong khi các dải zigzag luôn có các trạng thái biên kim loại. Khả năng điều chỉnh vùng cấm này làm cho GNRs trở thành vật liệu đầy hứa hẹn cho các transistor hiệu ứng trường (FET) thế hệ mới, có khả năng đạt được tỉ số bật/tắt cao.

4.2. Siêu mạng Graphene GSLs và điều biến tính chất quang học

Siêu mạng Graphene (GSLs) được tạo ra bằng cách áp một thế tuần hoàn một chiều lên tấm graphene. Thế tuần hoàn này làm biến đổi cấu trúc vùng năng lượng, dẫn đến các hiện tượng thú vị. Như được trình bày chi tiết trong luận án, GSLs có thể tạo ra các điểm Dirac thứ cấp và làm thay đổi vận tốc nhóm của các hạt tải. Về mặt quang học, cấu trúc này gây ra sự suy giảm độ dẫn quang trong một miền năng lượng nhất định, phụ thuộc vào chu kỳ và biên độ của thế. Khả năng điều khiển độ hấp thụ quang bằng điện trường mở ra tiềm năng ứng dụng của GSLs trong các linh kiện quang điện tử có thể điều chỉnh được, chẳng hạn như bộ điều biến quang và bộ tách sóng quang tốc độ cao.

V. Top ứng dụng Graphene trong Transistor hiệu ứng trường GFETs

Nhờ những đặc tính vượt trội, graphene đang định hình lại tương lai của ngành điện tử, đặc biệt là trong lĩnh vực transistor hiệu ứng trường (FET). Các GFETs hứa hẹn mang lại hiệu suất cao hơn nhiều so với các linh kiện dựa trên silicon truyền thống. Ứng dụng nổi bật nhất là trong các thiết bị điện tử tần số vô tuyến (RF). Nhờ độ linh động hạt tải cực cao, các GFETs có thể hoạt động ở tần số hàng trăm GHz, thậm chí đạt tới ngưỡng THz. Tốc độ này vượt xa giới hạn của silicon, mở đường cho các hệ thống truyền thông không dây thế hệ tiếp theo, radar và các ứng dụng an ninh quốc phòng. Một lĩnh vực tiềm năng khác là các linh kiện quang điện tử. Với độ trong suốt quang học cao và khả năng hấp thụ ánh sáng trên một dải tần rộng, GFETs có thể được sử dụng làm bộ tách sóng quang siêu nhanh. Ngoài ra, tính linh hoạt cơ học của graphene làm cho nó trở thành vật liệu lý tưởng cho các thiết bị điện tử dẻo, chẳng hạn như màn hình cảm ứng dẻo, cảm biến y sinh cấy ghép, và thiết bị đeo thông minh. Mặc dù vẫn còn những thách thức, tiềm năng của việc ứng dụng tính chất điện tử và quang học của graphene trong GFETs là không thể phủ nhận.

5.1. Ưu điểm của GFETs Độ linh động hạt tải và tốc độ cao

Ưu điểm chính của GFETs so với MOSFET silicon là độ linh động hạt tải vượt trội. Điều này cho phép các hạt tải di chuyển qua kênh dẫn với tốc độ rất cao, dẫn đến thời gian chuyển mạch nhanh hơn và tần số hoạt động cao hơn. Các nghiên cứu thực nghiệm đã chứng minh các GFETs với tần số ngưỡng (fT) trên 300 GHz. Tốc độ này rất quan trọng đối với các ứng dụng RF, nơi hiệu suất của transistor quyết định băng thông và tốc độ dữ liệu của toàn bộ hệ thống. Các mô phỏng dựa trên phương pháp hàm Green không cân bằng (NEGF) cũng dự đoán rằng khi thu nhỏ kênh dẫn xuống dưới 100nm, GFETs có thể đạt đến hiệu suất hoạt động ở ngưỡng THz.

5.2. Tiềm năng trong linh kiện quang điện tử và màn hình dẻo

Sự kết hợp độc đáo giữa các đặc tính điện và quang làm cho graphene trở nên lý tưởng cho các linh kiện quang điện tử. Khả năng hấp thụ ánh sáng đồng đều trên phổ rộng từ tử ngoại đến hồng ngoại xa, cùng với phản ứng điện tử cực nhanh, cho phép chế tạo các bộ tách sóng quang và bộ điều biến quang hiệu suất cao. Đồng thời, do chỉ dày một lớp nguyên tử, graphene cực kỳ linh hoạt và trong suốt. Điều này làm cho nó trở thành vật liệu hoàn hảo để chế tạo các điện cực trong suốt cho pin mặt trời graphene và màn hình cảm ứng dẻo. Không giống như oxit thiếc indi (ITO) giòn và đắt tiền, graphene vừa bền, dẻo, vừa có chi phí sản xuất tiềm năng thấp hơn.

VI. Tương lai Graphene Hướng tới ngành điện tử quang tử học

Tương lai của tính chất điện tử và quang học của graphene cho ứng dụng điện tử vô cùng hứa hẹn, vượt ra ngoài các transistor truyền thống và hướng tới sự hội tụ của điện tử và quang học. Ngành quang tử học (photonics) dựa trên graphene đang nổi lên như một lĩnh vực đầy tiềm năng. Khả năng điều khiển tương tác giữa ánh sáng và vật chất ở cấp độ nguyên tử cho phép tạo ra các linh kiện quang học siêu nhỏ và hiệu quả, chẳng hạn như bộ điều biến, bộ chuyển mạch và laser có thể tích hợp trực tiếp lên chip silicon. Một hướng đi đột phá khác là plasmonics trên graphene. Các plasmon – dao động tập thể của các electron – trong graphene có thể bị giam cầm trong không gian nhỏ hơn nhiều so với bước sóng ánh sáng, cho phép tạo ra các mạch quang học có kích thước nano. Điều này mở ra khả năng xử lý thông tin bằng ánh sáng trên cùng một con chip với tốc độ cực cao. Mặc dù các thách thức về sản xuất quy mô lớn và tích hợp hệ thống vẫn còn đó, các nghiên cứu cơ bản và ứng dụng đang tiếp tục phá vỡ các giới hạn, khẳng định vai trò của graphene như một vật liệu nền tảng cho thế hệ công nghệ tiếp theo, từ máy tính lượng tử đến các cảm biến siêu nhạy.

6.1. Những thách thức còn tồn tại trong sản xuất quy mô lớn

Để graphene thực sự tạo ra một cuộc cách mạng công nghệ, việc sản xuất vật liệu chất lượng cao, đồng đều trên quy mô lớn với chi phí hợp lý là điều kiện tiên quyết. Hiện tại, phương pháp CVD là hứa hẹn nhất, nhưng vẫn đối mặt với các vấn đề như sự xuất hiện của các miền tinh thể (grain boundaries) và các khuyết tật làm giảm hiệu suất của linh kiện. Quá trình chuyển lớp graphene từ đế kim loại sang đế bán dẫn cũng có thể gây ra nếp nhăn, rách hoặc nhiễm bẩn. Việc phát triển các quy trình sản xuất được kiểm soát chặt chẽ, có khả năng lặp lại và tương thích với dây chuyền sản xuất bán dẫn hiện tại là thách thức kỹ thuật lớn nhất cần phải vượt qua.

6.2. Triển vọng nghiên cứu mới Quang tử học và plasmonics

Các nghiên cứu tiên tiến đang tập trung vào việc khai thác các tương tác lượng tử độc đáo trong graphene. Trong lĩnh vực quang tử học (photonics), khả năng điều chỉnh độ hấp thụ quang của graphene bằng điện áp cổng cho phép tạo ra các bộ điều biến quang có tốc độ và băng thông chưa từng có. Trong khi đó, lĩnh vực plasmonics graphene hứa hẹn tạo ra các thiết bị có thể điều khiển ánh sáng ở quy mô nhỏ hơn giới hạn nhiễu xạ. Các plasmon trong graphene có thể được điều chỉnh bằng điện, mở ra ứng dụng trong các siêu vật liệu (metamaterials), cảm biến sinh học và các mạch tích hợp quang học. Sự kết hợp giữa điện tử, quang tử học và plasmonics trên một nền tảng vật liệu duy nhất là hướng đi đầy triển vọng cho tương lai của công nghệ graphene.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Sự phát triển của công nghệ vi điện tử và mạch tích hợp (Integrated Circuit - IC) dựa trên vật liệu bán dẫn silicon (Si) truyền thống đang tiến gần tới các giới hạn vật lý khi kích thước linh kiện thu nhỏ xuống thang nanomet. Các hiệu ứng kênh ngắn (short-channel effects), hiện tượng dòng rò chui ngầm lượng tử, sự suy giảm độ linh động của hạt tải và vấn đề tản nhiệt trở thành những rào cản kỹ thuật nghiêm trọng. Mặc dù các giải pháp cấu trúc ba chiều như cổng bao quanh (Omega-gate) đã được đưa vào ứng dụng, việc tìm kiếm các loại vật liệu mới có độ linh động hạt tải cao và độ ổn định cấu trúc tốt vẫn là hướng tiếp cận mang tính nền tảng.

Vật liệu graphene đơn lớp với cấu trúc mạng tổ ong hai chiều sở hữu những đặc tính vật lý đáng chú ý: độ linh động điện tử có thể đạt tới $\mu_G \sim 2 \cdot 10^5\text{ cm}^2/\text{V}\cdot\text{s}$, vận tốc nhóm của điện tử xấp xỉ $v_F \approx 10^6\text{ m/s}$ (chỉ nhỏ hơn vận tốc ánh sáng 300 lần), cùng khả năng dẫn nhiệt và độ bền cơ học cao. Tuy nhiên, graphene ở trạng thái tự do là một chất bán kim loại không có độ rộng vùng cấm ($E_g = 0$), khiến các transistor hiệu ứng trường sử dụng kênh dẫn graphene (GFETs) có tỷ số dòng bật/tắt ($I_{on}/I_{off}$) rất thấp, thường chỉ dao động trong khoảng 2 đến 20. Bên cạnh đó, các tính chất điện tử, quang học và động học truyền dẫn của màng graphene chịu sự biến đổi mạnh mẽ dưới tác động của các điều kiện biên, thế tuần hoàn từ môi trường ngoài và bề mặt tiếp xúc với các điện cực kim loại.

Luận án "Nghiên cứu tính chất điện tử và quang học của graphene" (tên đầy đủ được tác giả nêu trong phần giới thiệu: "Nghiên cứu các tính chất điện tử, quang học và truyền dẫn của vật liệu graphene hướng tới các ứng dụng điện tử và quang điện tử") được thực hiện nhằm giải quyết hai mục đích cơ bản:

1. Nghiên cứu các tính chất cơ bản của điện tử bên trong các màng graphene dưới tác động của các điều kiện khác nhau từ bên ngoài, từ đó xem xét tiềm năng ứng dụng của loại vật liệu này trong lĩnh vực điện tử và quang điện tử.
2. Thực hiện các nghiên cứu đóng góp vào việc khai thác và phát triển chương trình tính toán OPEDEVS (cụ thể là phát triển module GFET).

Để đạt được mục đích trên, luận án xác định hai bài toán và câu hỏi nghiên cứu cụ thể:

1. Nghiên cứu bức tranh cấu trúc vùng năng lượng của điện tử bên trong graphene dưới các điều kiện nội tại và xử lý/chế tác khác nhau (điều kiện biên dải nano, tác động của trường thế vô hướng tuần hoàn một chiều trong cấu trúc siêu mạng GSLs).
2. Khảo sát các tính chất truyền dẫn của các trạng thái kích thích điện tử bên trong các màng graphene khi đóng vai trò kênh dẫn trong linh kiện, bao gồm cơ chế truyền dẫn qua bề mặt tiếp xúc kim loại - graphene (M-G) và các đặc trưng truyền dẫn tĩnh điện/dòng điện của linh kiện GFETs.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án bao gồm:

• Đối tượng nghiên cứu: Màng graphene đơn lớp, dải nano graphene (GNRs) biên zigzag và biên armchair; cấu trúc siêu mạng graphene (GSLs) chịu thế tuần hoàn một chiều; hệ tiếp xúc dị thể kim loại - graphene - kim loại (M-G-M) với các kim loại mạng lập phương tâm mặt (FCC) và mạng lục giác xếp chặt (HCP); linh kiện transistor hiệu ứng trường kênh dẫn graphene (GFETs) có chiều dài kênh dưới 100 nm kết hợp điện cực cổng dây nano GaN.
• Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết và tính toán mô phỏng lượng tử trong khuôn khổ gần đúng liên kết chặt, hình thức luận Kubo cho độ dẫn quang, phần mềm VASP cho cấu trúc vùng tiếp xúc kim loại, và hình thức luận hàm Green không cân bằng (NEGF) tự nhất quán với phương trình Poisson trong môi trường phần mềm OPEDEVS.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Lịch sử nghiên cứu lý thuyết về cấu trúc dải năng lượng của graphene bắt đầu từ công trình của P. R. Wallace vào năm 1946 khi mô tả dải năng lượng điện tử của than chì. Về mặt thực nghiệm, các nỗ lực chế tạo màng carbon mỏng từng được thực hiện bởi nhóm Ruoff (1999) hay nhóm Kim tại Đại học Columbia, cũng như phương pháp phân hủy nhiệt silicon carbide (SiC) ở $1300^\circ\text{C}$ của nhóm de Heer tại Georgia Tech (2004). Đến tháng 10 năm 2004, K. S. Novoselov, A. K. Geim và các cộng sự tại Đại học Manchester và Viện Công nghệ Vi điện tử Chernogolovka đã bóc tách thành công đơn lớp graphene bằng phương pháp cơ học và ghi nhận hiệu ứng trường cũng như hiệu ứng Hall lượng tử dị thường ở nhiệt độ phòng.

Các nghiên cứu tiếp theo đã làm sáng tỏ nhiều hiện tượng vật lý lượng tử đặc thù trong graphene:

• Hiện tượng chui ngầm Klein của các giả hạt Dirac tương đối tính qua rào thế do Katsnelson, Geim và Novoselov đề xuất năm 2006, sau đó được Young và Kim khẳng định bằng thực nghiệm năm 2009.
• Độ dẫn suất cực tiểu tổng quát $\sigma_{min} = 4e^2/(\pi h)$ được Tworzydło và các cộng sự giải thích thông qua sự truyền dẫn lượng tử của các trạng thái mờ (evanescent modes) dựa trên công thức Landauer.
• Sự phát triển của các nguyên mẫu GFETs: Từ linh kiện đo độ dẫn của nhóm Geim (2004) đến cấu trúc có điện cực cổng điều khiển trên nền oxide năm 2007. Các mốc tốc độ làm việc của GFETs được nâng dần từ 26 GHz (IBM, 2009) lên 100 GHz với cổng dài 240 nm (IBM, 2010), và đạt 300 GHz với chiều dài kênh 140 nm sử dụng cổng dây nano GaN trong nghiên cứu thực nghiệm của nhóm Lei Liao (2010).
• Về mặt mô phỏng linh kiện, nhóm Jyotsna Chauhan (2011) đã sử dụng phương pháp hàm Green không cân bằng (NEGF) để khảo sát giới hạn hoạt động tần số vô tuyến (RF) và sự thu hẹp kênh dẫn xuống 20 nm của GFETs.

Tại Việt Nam, nhóm nghiên cứu do TS. Đỗ Vân Nam dẫn dắt đã triển khai các khảo sát lý thuyết về sự thay đổi tính chất của graphene dưới tác động của sự dính bám nguyên tử lạ, sai hỏng mạng tinh thể và tương tác với các điện cực kim loại.

Vị trí của luận án được xác định tại điểm giao thoa giữa nghiên cứu vật lý lý thuyết và mô phỏng linh kiện ứng dụng: Luận án tập trung giải quyết khoảng trống về cơ chế vi mô điều khiển trạng thái điện tử trong siêu mạng graphene (GSLs), phân tíchเชิง lượng tử tính chất quang dị hướng, xây dựng mô hình tự năng mô tả điện trở tiếp xúc giữa graphene với các kim loại chuyển tiếp khác nhau, và phát triển công cụ tính toán NEGF tự nhất quán (module GFET trong package OPEDEVS) để đánh giá hoạt động của linh kiện GFETs kích thước nanomet.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp các khung lý thuyết vật lý chất rắn, cơ học lượng tử và các công cụ mô phỏng số:

Khung lý thuyết và mô hình vật lý

1. Mô hình lai hóa và cấu trúc mạng tinh thể: Nguyên tử carbon với cấu hình điện tử $1s^2 2s^2 2p^2$ hình thành 3 orbital lai hóa $sp^2$ nằm trong mặt phẳng tạo thành các liên kết $\sigma$ bền vững với góc liên kết $120^\circ$. Orbital $2p_z$ định hướng vuông góc với mặt phẳng tạo nên liên kết $\pi$ với năng lượng nhảy lân cận gần nhất $t_{CC} \approx 2.67\text{ eV}$ (hoặc năng lượng liên kết $E_{pp\pi} \approx -2.67\text{ eV}$). Mạng tinh thể gồm hai mạng con tam giác A và B lồng vào nhau, khoảng cách giữa hai nguyên tử lân cận $a_{CC} \approx 1.42\text{ \AA}$, diện tích ô cơ sở $S_0 = \frac{3\sqrt{3}}{2} a_{CC}^2$. Vùng Brillouin thứ nhất có dạng lục giác đều với diện tích $\Omega = \frac{8\pi^2}{3\sqrt{3}a_{CC}^2}$ và nhóm đối xứng điểm $D_{6h}$.
2. Mô hình Dirac cho năng lượng thấp: Tại lân cận các điểm đối xứng $K$ và $K'$, hệ thức tán sắc có dạng tuyến tính $E(\mathbf{k}) = \pm \hbar v_F |\mathbf{k}|$. Hàm mật độ trạng thái điện tử (DOS) trên một đơn vị diện tích tỉ lệ thuận với độ lớn năng lượng: $D(E) = \frac{2}{\pi \hbar^2 v_F^2}|E|$.
3. Phương pháp gần đúng liên kết chặt (Tight-Binding Approximation - TBA): Biểu diễn Hamiltonian trong hình thức luận lượng tử hóa lần thứ hai thông qua các toán tử sinh hủy $a_i, b_j$ trên hai mạng con: $$H = -t_{CC} \sum_{\langle i,j \rangle} (a_i^\dagger b_j + \text{h.c.})$$ Ảnh hưởng của từ trường ngoài đều $B$ vuông góc với mặt phẳng được đưa vào qua phép biến đổi pha Peierls với thế vector Landau $\mathbf{A} = (-By, 0, 0)$.
4. Lý thuyết phản ứng tuyến tính Kubo: Sử dụng để tính toán tenxơ độ dẫn quang $\sigma(\omega)$ nhằm phân tích đặc trưng hấp thụ quang và các yếu tố ma trận chuyển mức quang giữa các dải năng lượng.
5. Hình thức luận hàm Green không cân bằng (NEGF): Sử dụng để mô tả động học truyền dẫn lượng tử của điện tử qua các rào thế, lớp tiếp xúc kim loại và kênh dẫn linh kiện bán dẫn.

Phương pháp tính toán và nguồn dữ liệu

• Gói phần mềm tính toán dải nano graphene: Tác giả lập trình và đóng gói công cụ tính toán cấu trúc vùng năng lượng cho GNRs biên zigzag và armchair có giao diện người dùng (GUI).
• Phần mềm VASP: Sử dụng để tính toán cấu trúc vùng điện tử và mật độ trạng thái riêng phần $p_z$-DOS từ nguyên lý đầu (First-principles/DFT) cho các cấu trúc tiếp xúc dị thể kim loại - graphene.
• Gói phần mềm OPEDEVS (Opto-Electronic Devices Simulation): Môi trường tính toán do TS. Đỗ Vân Nam thiết kế, trong đó tác giả trực tiếp phát triển module GFET thực hiện thuật toán tự nhất quán giữa phương trình Poisson và phương trình hàm Green lượng tử.
• Nguồn dữ liệu thực nghiệm đối chứng: Số liệu đo đạc thực nghiệm về hiệu ứng trường của nhóm Geim, các đặc tuyến dòng - áp của nhóm Huard, Meric, Thiele và nhóm Lei Liao.

Phương pháp / Công cụ	Đối tượng áp dụng	Mục đích trích xuất kết quả
Gần đúng liên kết chặt (TBA)	Graphene 2D, Dải nano (GNRs), Siêu mạng (GSLs)	Phổ tán sắc $E(\mathbf{k})$, ma trận Hamiltonian, mật độ trạng thái DOS
Hình thức luận Kubo	Siêu mạng graphene (A-GSLs, Z-GSLs)	Độ dẫn quang $\sigma(\omega)$, xác suất chuyển mức quang học
Phần mềm VASP (DFT)	Tổ hợp tiếp xúc Kim loại - Graphene (M-G)	Cấu trúc vùng năng lượng, mật độ trạng thái $p_z$-DOS
NEGF + Poisson (OPEDEVS)	Transistor GFETs ($L_c = 40-100\text{ nm}$)	Thế tĩnh điện, mật độ hạt tải, đặc tuyến $I_{DS}-V_{GS}$, $I_{DS}-V_{DS}$, độ dẫn $G$

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan kiến thức nền tảng và ứng dụng của graphene

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về graphene, phân tích các thuộc tính điện tử của dải nano và tổng quan về linh kiện GFETs:

• Cấu trúc dải năng lượng graphene 2D: Giải chéo hóa ma trận Hamiltonian kích thước $2 \times 2$ cho năng lượng riêng: $$E(\mathbf{k}) = \pm t_{CC} \sqrt{1 + 4\cos\left(\frac{\sqrt{3}k_x a_{CC}}{2}\right)\cos\left(\frac{k_y a_{CC}}{2}\right) + 4\cos^2\left(\frac{k_y a_{CC}}{2}\right)}$$ Hai mặt năng lượng chạm nhau tại 6 đỉnh của vùng Brillouin (các điểm Dirac $K, K'$).
• Cấu trúc dải nano graphene (GNRs):
  • Biên Zigzag: Độ rộng dải $W(M_{zline}) = \frac{3M_{zline}-2}{2}a_{CC}$. Ma trận Hamiltonian có kích thước $2M_{zline} \times 2M_{zline}$.
  • Biên Armchair: Độ rộng dải $W(M_{aline}) = \frac{\sqrt{3}a_{CC}}{2}(M_{aline}-1)$. Ma trận Hamiltonian có kích thước $4M_{aline} \times 4M_{aline}$.
  • Luận án giới thiệu gói phần mềm mô phỏng GNRs cho phép tùy chọn đơn lớp/hai lớp, dạng biên, số đường nguyên tử, tác động của từ trường $B$ và điện trường ngoài.
• Đặc trưng linh kiện GFETs: Khảo sát nguyên lý hoạt động của MOSFET truyền thống so với GFETs. Transistor graphene có đường đặc trưng $I_{DS}-V_{GS}$ dạng chữ V biểu thị sự đóng góp đối xứng của điện tử (nhánh phải) và lỗ trống (nhánh trái) qua điểm cực tiểu Dirac. Tỷ số $I_{on}/I_{off}$ thấp (2-20) do không có vùng cấm. Đặc tuyến $I_{DS}-V_{DS}$ thể hiện dạng uốn cong do sự chuyển đổi loại hạt tải và ảnh hưởng của hiệu ứng chui ngầm Klein kết hợp trở vi phân âm.

Chương 2: Cấu trúc điện tử và tính chất quang của siêu mạng graphene

Chương 2 nghiên cứu các màng graphene chịu tác động của điện thế vô hướng biến thiên tuần hoàn một chiều $U(x)$ với chu kỳ thế $L$ và biên độ rào thế $U_b$:

• Cấu trúc điện tử của siêu mạng GSLs:
  • Xét hai dạng cấu trúc siêu mạng là Armchair-GSLs (A-GSLs) và Zigzag-GSLs (Z-GSLs).
  • Kết quả tính toán cấu trúc vùng năng lượng cho thấy sự xuất hiện của các điểm Dirac phụ và sự định hình lại các nón Dirac.
  • Luận án phát hiện hiện tượng "định xứ kỳ lạ" của một số trạng thái điện tử và sự ghim (pinning) của một số mặt năng lượng dọc theo phương vector sóng $k_x, k_y$.
  • Mật độ trạng thái của điện tử $p_z$ trong GSLs xuất hiện nhiều đỉnh van Hove sắc nhọn phản ánh đặc tính tô-pô của các bề mặt năng lượng dưới tác dụng của thế ngoài.
• Tính chất quang của GSLs:
  • Tính toán độ dẫn quang $\sigma(\omega)$ theo hình thức luận Kubo.
  • Ghi nhận sự suy giảm độ dẫn quang trong miền năng lượng photon $(0, U_b)$. Hiện tượng này được lý giải thông qua cơ chế khóa Pauli (Pauli blocking) ngăn chặn quá trình chuyển mức liên dải của điện tử trong phạm vi $(0, 2E_F)$ kết hợp với sự triệt tiêu của các phần tử ma trận chuyển mức quang học.
  • Phân tích sự phụ thuộc của độ dẫn quang vào trạng thái phân cực của photon (phân cực dọc theo phương tuần hoàn của thế và phân cực ngang).

Chương 3: Sự truyền dẫn điện tử qua bề mặt tiếp xúc kim loại - graphene

Chương 3 tập trung giải quyết bài toán tiếp xúc dị thể giữa graphene và các điện cực kim loại (M-G):

• Mô hình tiếp xúc dị thể:
  • Khảo sát graphene tiếp xúc với mặt (111) của kim loại cấu trúc FCC (Cu, Ag, Al, Ir, Pt, Au) với ô đơn vị chứa 2 nguyên tử (như Cu) hoặc 8 nguyên tử.
  • Khảo sát graphene tiếp xúc với mặt (0001) của kim loại cấu trúc HCP (Co, Cd, Ru, Ti) với ô đơn vị chứa 2 nguyên tử (như Co) hoặc 8 nguyên tử (Cd, Ru, Ti).
• Tính toán vi mô và mô hình hiệu dụng:
  • Sử dụng phần mềm VASP tính toán cấu trúc vùng điện tử và mật độ trạng thái $p_z$-DOS cho các tổ hợp tiếp xúc như G-Cu và G-Ti.
  • Xây dựng mô hình hiệu dụng mô tả tương tác điện tử thông qua các tham số tích phân nhảy $t_{pz-s}$ và $t_{pz-d}$.
  • Tính toán đặc trưng Von-Ampe ($I-V$) và xác suất truyền qua $T(k, E)$ cho các cấu trúc kim loại - graphene - kim loại (M-G-M) gồm Cu-G-Cu, Au-G-Au, Pt-G-Pt, Pd-G-Pd, Ti-G-Ti.
  • Đưa ra bảng ước tính các thông số mô hình và giá trị điện trở suất/độ dẫn điện nội tại của lớp tiếp xúc M-G.

Chương 4: Mô phỏng linh kiện GFETs

Chương 4 trình bày việc phát triển và ứng dụng module GFET trong gói phần mềm OPEDEVS:

• Cấu trúc linh kiện nghiên cứu: Mô hình GFETs kênh ngắn lấy cảm hứng từ cấu trúc thực nghiệm của nhóm Lei Liao, sử dụng dây nano GaN làm điện cực cổng trên ($\kappa \sim 10$, bề dày điện môi $t_{ins} = 16.4\text{ nm}$, điện dung cực cổng $C_{ins} = 486\text{ nF/cm}^2$) và các điện cực nguồn/máng kim loại tự sắp xếp.
• Phương pháp mô phỏng số:
  • Thiết lập thuật toán giải lặp tự nhất quán giữa phương trình Poisson và phương trình hàm Green không cân bằng (NEGF) để tính toán thế tĩnh điện và mật độ điện tích hạt tải.
  • Đưa ảnh hưởng của các điện cực kim loại vào kênh dẫn thông qua ma trận tự năng $\Sigma_{G-M}$ với phần thực $\text{Re}(\Sigma_{G-M})$ và phần ảo $\text{Im}(\Sigma_{G-M})$.
• Kết quả mô phỏng và thảo luận:
  • Khảo sát phân bố thế tĩnh điện và mật độ hạt tải trong kênh dẫn với chiều dài $L_c = 40\text{ nm}$ và $60\text{ nm}$ dưới các điện áp phân cực $V_{DS}, V_{GS}$ khác nhau.
  • Phân tích sự phụ thuộc của độ dẫn $G$ và dòng máng $I_{DS}$ vào điện áp cổng $V_{GS}$ và điện áp máng $V_{DS}$ dưới các giá trị khác nhau của $\text{Re}(\Sigma_{G-M})$ và $\text{Im}(\Sigma_{G-M})$.
  • So sánh đặc tuyến $I_{DS}-V_{DS}$ tại $L_c = 40\text{ nm}$ với số liệu đo thực nghiệm của nhóm Lei Liao ($L_c = 50-100\text{ nm}$), xác nhận sự phù hợp về dáng điệu uốn cong của đường dòng và cơ chế dịch chuyển điểm trung hòa điện tích.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án tự tổng kết các kết quả và đóng góp mới về mặt khoa học và kỹ thuật tính toán:

1. Về cấu trúc điện tử của siêu mạng graphene: Xác định được các đặc trưng điện tử mới của hệ siêu mạng graphene (GSLs) dưới tác động của thế tuần hoàn một chiều, cụ thể là hiện tượng định xứ kỳ lạ của một số trạng thái điện tử và sự ghim của các bề mặt năng lượng.
2. Về tính chất quang học: Làm rõ cơ chế vi mô của sự suy giảm độ dẫn quang trong miền năng lượng photon $(0, U_b)$ của siêu mạng graphene, giải thích hiện tượng dựa trên cơ chế khóa Pauli và sự phụ thuộc chặt chẽ vào trạng thái phân cực của bức xạ điện từ.
3. Về mô hình tiếp xúc kim loại - graphene: Đề xuất mô hình hiệu dụng mô tả liên kết điện tử giữa graphene và nhiều bề mặt kim loại thuộc mạng FCC và HCP, cho phép ước tính điện trở suất và độ dẫn nội tại của lớp tiếp xúc M-G.
4. Về công cụ tính toán và mô phỏng linh kiện:
   • Xây dựng gói phần mềm có giao diện người dùng hỗ trợ tính toán cấu trúc vùng năng lượng của dải nano graphene (GNRs).
   • Phát triển thành công module GFET trong gói phần mềm OPEDEVS, ứng dụng mô phỏng truyền dẫn lượng tử NEGF tự nhất quán cho cấu trúc linh kiện GFETs kênh ngắn có điện cực cổng dây nano GaN.

Các công bố khoa học từ luận án được đăng tải trên các tạp chí quốc tế chuyên ngành gồm Applied Physics Letters (về siêu mạng graphene và tiếp xúc kim loại - graphene) và Journal of Physics: Condensed Matter (về tính chất quang của siêu mạng graphene).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Văn bản luận án nêu rõ các hạn chế hiện tại và định hướng nghiên cứu tiếp theo:

• Hạn chế:
  • Mô hình gần đúng liên kết chặt tuy trực quan nhưng gặp trở ngại lớn về khối lượng tính toán khi mở rộng sang các hệ có kích thước lớn hoặc có sai hỏng mạng phức tạp.
  • Đối với bài toán mô phỏng GFETs trong Chương 4, do thời gian thực hiện luận án có hạn và phải tập trung xây dựng nền tảng mô hình vật lý cùng công cụ tính toán, các kết quả thu được mới dừng ở mức kết quả ban đầu (dáng điệu hàm thế, phân bố hạt tải, đặc trưng $I-V$ sơ bộ), chưa được xử lý và phân tích sâu sắc toàn diện để công bố thành bài báo độc lập.
• Hướng nghiên cứu tiếp:
  • Khai thác và hoàn thiện sâu hơn các kết quả tính toán mô phỏng linh kiện GFETs trên module GFET của gói OPEDEVS.
  • Mở rộng nghiên cứu ảnh hưởng của các cơ chế tán xạ (tán xạ phonon, tán xạ tạp chất tích điện) và tối ưu hóa hình học tiếp xúc điện cực kim loại trong các cấu trúc linh kiện nano điện tử tương lai.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo cho các đối tượng:

• Nghiên cứu sinh và học viên cao học: Thuộc các chuyên ngành Vật lý chất rắn, Vật lý lý thuyết và tính toán, Vật liệu nano, Vi điện tử và Quang điện tử.
• Giảng viên và nhà nghiên cứu: Tham khảo cách xây dựng ma trận Hamiltonian liên kết chặt có tính đến hiệu ứng từ trường Peierls cho dải nano graphene (Chương 1 và Phụ lục), phương pháp tính độ dẫn quang Kubo cho siêu mạng (Chương 2), và mô hình ma trận tự năng cho tiếp xúc kim loại - bán dẫn 2D (Chương 3).
• Kỹ sư phát triển phần mềm mô phỏng linh kiện: Tham khảo thuật toán tự nhất quán giữa phương trình Poisson và hình thức luận NEGF trong module GFET thuộc package OPEDEVS (Chương 4 và Phụ lục).

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao linh kiện GFETs sử dụng màng graphene kích thước lớn không thể đóng ngắt dòng điện hoàn toàn như MOSFET silicon? Do cấu trúc dải năng lượng của graphene có quan hệ tán sắc tuyến tính chạm nhau tại điểm Dirac mà không có độ rộng vùng cấm ($E_g = 0$). Khi điều khiển điện áp cổng, linh kiện chuyển đổi liên tục giữa đóng góp của điện tử và lỗ trống mà không qua vùng cấm, dẫn đến sự tồn tại của một giá trị dòng cực tiểu (và độ dẫn điện cực tiểu $\sigma_{min} = 4e^2/\pi h$), khiến tỷ số dòng bật/tắt $I_{on}/I_{off}$ chỉ đạt từ 2 đến 20.

2. Siêu mạng graphene (GSLs) trong luận án được hình thành như thế nào và có đặc tính điện tử gì mới? Siêu mạng graphene được hình thành bằng cách đặt màng graphene dưới tác động của một trường thế tĩnh điện vô hướng biến thiên tuần hoàn một chiều $U(x)$ (ví dụ: tạo bởi các điện cực định kỳ dưới đế SiC). Dưới thế tuần hoàn này, cấu trúc dải năng lượng xuất hiện các nón Dirac phụ, hiện tượng ghim (pinning) một số mặt năng lượng và sự định xứ kỳ lạ của một số trạng thái điện tử.

3. Cơ chế nào giải thích sự suy giảm độ dẫn quang của siêu mạng graphene trong miền năng lượng photon $(0, U_b)$? Sự suy giảm độ dẫn quang trong miền photon $(0, U_b)$ được giải thích thông qua cơ chế khóa Pauli (Pauli blocking) ngăn chặn quá trình chuyển dải của điện tử trong phạm vi năng lượng kích thích và sự suy giảm của các phần tử ma trận chuyển mức quang học giữa các vùng năng lượng dưới tác động của thế tuần hoàn.

4. Module GFET trong gói phần mềm OPEDEVS thực hiện mô phỏng linh kiện dựa trên phương pháp nào? Module GFET sử dụng thuật toán giải lặp tự nhất quán giữa phương trình thế tĩnh điện Poisson (xác định phân bố điện thế và nồng độ hạt tải trong không gian linh kiện) và phương trình truyền dẫn lượng tử dựa trên hình thức luận hàm Green không cân bằng (NEGF), có tính đến ảnh hưởng tiếp xúc điện cực kim loại qua ma trận tự năng $\Sigma_{G-M}$.

Kết luận

Luận án đã giải quyết một cách có hệ thống các bài toán vật lý cơ bản về cấu trúc dải năng lượng, tính chất quang học và cơ chế truyền dẫn lượng tử của vật liệu graphene trong các cấu hình dải nano, siêu mạng tuần hoàn và tiếp xúc dị thể kim loại. Các phát hiện về sự định xứ trạng thái trong siêu mạng GSLs, cơ chế suy giảm độ dẫn quang theo phân cực và mô hình tự năng tiếp xúc M-G đã làm rõ các tương tác vi mô chi phối hành vi của điện tử trong graphene. Đồng thời, việc xây dựng gói phần mềm tính toán GNRs và phát triển module GFET trong package OPEDEVS đã cung cấp công cụ mô phỏng số hữu ích phục vụ việc định hướng thiết kế các linh kiện điện tử và quang điện tử nano.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: chúng tôi trình bày khái quát tình hình nghiên cứu về graphene trong thời gian vừa qua trong mục 1.1, tiếp đó để có thể nắm rõ về các kiến thức về graphene, chúng tôi hệ thống lại các kiến thức nền tảng trong mục 1. Trong phần kiến thức nền tảng, chúng tôi đã tính toán lại một cách có hệ thống về cấu trúc vùng điện tử của graphene và các dải nano graphene. Toàn bộ các tính toán này được chúng tôi đóng gói lại thành một packages nhỏ được giới thiệu trong mục 1. Các kiến thức nền tảng trong phần này là cơ sở cho chúng tôi mở rộng cho nghiên cứu chính của luận án được đề cập trong chương sau.

Trong chương này chúng tôi cũng có nhưng giới thiệu về việc sử dụng graphene trong các ứng dụng điện tử và quang điện tử liên quan đến những vấn đề mà nội dung nghiên cứu chính của đề tài đề cập đến, phần này được trình bày trong mục 1. - Chương 2: chương này gồm hai nội dung chính: i) trình bày cấu trúc điện tử của cấu trúc GSLs qua đó thu được phát hiện về sự định xứ kỳ lạ của một số trạng thái điện tử; ii) nghiên cứu tính chất quang thông qua việc khảo sát độ dẫn quang, qua việc phân tích cấu trúc điện tử chúng tôi giải thích được sự suy giảm độ dẫn quang trong GIỚI THIỆU CHUNG 7 miền năng lượng photon (0,Ub) và sự phụ thuộc vào trạng thái phân cực của photon. - Chương 3: nội dung chính là trình bày một mô hình hiệu dụng qua đó để tính được điện trở suất hay độ dẫn nội tại cho thấy các ảnh hưởng của các kim loại khác nhau khi tiếp xúc với bề mặt graphene. - Chương 4: trình bày các phát triển và sử dụng packages OPEDEVS do TS.

Đỗ Vân Nam xây dựng để mô phỏng một linh kiện GFETs đã được thực nghiệm nghiên cứu. Các kết quả thu được làm rõ được các ảnh hưởng của các yếu tố vi mô lên các đặc trưng volt-ampe của linh kiện. Ngoài ra chúng tôi cũng bổ sung trong luận án một phần phụ lục để trình bày cụ thể một số tính toán chi tiết và dài dòng. 8 1 TỔNG QUAN 1 TỔNG QUAN Như đã trình bày ở trên, mục tiêu của luận án là tập trung nghiên cứu về một số vấn đề cơ bản của graphene khi xem xét nó cho những ứng dụng cụ thể, chẳng hạn như làm kênh dẫn trong các cấu trúc transistor hiệu ứng trường (Field-Effect-Transistors – FETs).

Muốn thế, trước tiên cần phải có những hiểu biết cơ bản về loại vật liệu này. Chính vì vậy, trong chương này chúng tôi sẽ cố gắng phác họa một tổng quan ngắn về tình hình nghiên cứu (mục 1.1) cũng như các kiến thức cơ bản về loại vật liệu này, cùng với bài toán cơ bản về cấu trúc vùng năng lượng của các dải nano graphene, làm tiền đề cho các phương pháp nghiên cứu mở rộng sau này của luận án (mục 1.1 Khái quát về câu chuyện graphene Như đã giới thiệu, lĩnh vực công nghệ điện tử hiện đại được xây dựng và phát triển dựa trên nền tảng khoa học và kỹ thuật bán dẫn với vật liệu chủ yếu là chất bán dẫn silicon (Si). Với xu hướng thu nhỏ kích thước (scaling) của các cấu trúc linh kiện nền tảng (các transistors), công nghệ hiện tại đã và ngày càng bộc lộ nhiều những vấn đề nghiêm trọng, đặc biệt khi đi vào giới hạn kích thước nanomet. Hiện nay, các nhà sản xuất lớn như Intel và/hay IBM đang lên các kế hoạch đưa vào sản xuất các loại thiết bị với kích thước cơ bản của các cấu trúc MOSFET vào khoảng vài chục nanomet, thậm chí là chỉ khoảng 10 nm, hoặc thậm chí ngắn hơn.

Tuy nhiên, cái giá mà họ phải trả là việc phải thay đổi công nghệ sản xuất, chẳng hạn từ công nghệ plate-gate (gate phẳng) sang công nghệ Ω-gate (gate bao quanh kênh dẫn) [50, 51], và như thế có nghĩa là các hãng này phải đầu tư một khoản rất lớn. Về mặt cơ bản, các nghiên cứu đã chỉ ra rằng sẽ rất khó tạo ra các vi mạch với kích thước của các linh kiện MOSFET vào khoảng 10 nanomét với công nghệ 2D hiện thời vì các điện cực gate phẳng trở nên có hiệu quả rất kém trong việc điều khiển dòng chuyển dời của các hạt mang điện trong kênh dẫn của linh kiện. Quan trọng hơn là trong giới hạn kích thước như thế vật liệu Si không còn sở hữu các thuộc tính như mong muốn nữa. Sự xuất hiện của graphene cùng với các tính chất đặc biệt của nó đã gần như mở ra hy vọng cho ngành điện tử vượt qua những giới hạn của vật liệu Si và “định luật Moore” có thể sẽ được kéo dài thêm nữa [5, 10].

Khác với các ống nano cacbon, graphene với cấu trúc phẳng và với độ dầy của một nguyên tử nhưng lại hết sức bền vững, đã cho thấy những tiềm năng ứng dụng rất lớn trong việc thiết kế các linh kiện transistor kích thước rất bé hoạt động với tốc độ cao vượt bậc. Về phương diện dẫn điện, graphene có nhiều ưu điểm hơn Si nhờ tính dẫn điện tốt hơn rất nhiều lần và quan trọng hơn là việc các transistors với kênh dẫn graphene có thể sẽ hoạt động ổn định trong miền nhiệt độ thậm chí cao hơn nhiệt độ phòng. Theo de Heer - Đại học Georgia Tech: “Transitor sử dụng silicon có một tốc độ xử lý giới hạn tối đa và nếu tiếp tục cố gắng thì cũng chỉ có thể đạt được tốc độ đó mà thôi. Hiện nay, các Si-transistors khó có thể đạt đến tốc độ trên 10 gigahertz nhưng với graphene thì tốc độ của transistors có thể lên đến mức terahertz, gấp ngàn lần gigahertz”.

Thật vậy, đến giữa năm 2009, các nhà khoa học của IBM đã giới thiệu một mẫu linh kiện transistor có thể hoạt động với tốc độ lên tới 26 GHz. Tuy nhiên, cũng chính nhóm này đã tự phá vỡ kỷ lục này của mình khi đầu năm 2010 đã giới thiệu một bảng thiết kế dưới dạng một mạch tích hợp các cấu trúc linh kiện trên một wafer với độ rộng lên tới 2 x 2 cm2 [147, 149]. Đặc 1 TỔNG QUAN 9 biệt hơn, các khảo sát của họ cho thấy tần số làm việc của các linh kiện đó có thể vượt ngưỡng 100 GHz và các tín hiệu đầu ra gần như không bị biến dạng (nhiễu). Các cố gắng như thế rõ ràng là những động lực thúc đẩy mạnh mẽ không những các nghiên cứu cơ bản mà còn cả các nghiên cứu ứng dụng khai thác các thuộc tính quý giá của loại vật liệu này.

Chính vì thế, graphene hiện nay đang là chủ đề nghiên cứu hấp dẫn của lĩnh vực điện tử.1 Hiệu ứng trường trong vài lớp Hình 1.2 Quan sát thực nghiệm của hiệu ứng Hall graphene [69]. lượng tử dị thường ở graphene [70] Về các nỗ lực tìm ra graphene, do cấu trúc xếp lớp đặc trưng của than chì người ta đã có rất nhiều cố gắng trong việc tạo ra các màng than chì cực mỏng. Năm 1999, nhóm của Ruoff thuộc Đại học Northwestern đưa ra một phương pháp đặc biệt để sản xuất các đĩa mỏng than chì [134, 135] và đề xuất áp dụng phương án này để thu nhận các đơn lớp graphene. Tuy nhiên, họ đã không thể nhận ra bất kì đơn lớp nào.

Tại Đại học Columbia, nhóm nghiên cứu của Kim cũng đã phát triển một phương pháp để tạo ra các lớp cacbon mỏng. Cụ thể, nhóm này đã gắn một tinh thể than chì lên đầu nhọn của một kính hiển vi lực nguyên tử và kéo lê nó trên bề mặt của một lớp đế. Với cách này, họ có thể tạo ra những lớp than chì mỏng với độ dày chỉ vào khoảng mười lớp graphene [143]. Tuy nhiên, phải đến năm 2004 khi Geim, Novoselov và các cộng sự ở trường Đại học Manchester (Anh quốc) và Viện Công nghệ Vi điện tử ở Chernogolovka (Nga) đã tìm ra một cách thức vô cùng đơn giản để bóc tách và quan sát được sự tồn tại của một đơn lớp graphene.

Khác với các phương pháp phức tạp khác, nhóm này đơn giản dùng loại băng dính giấy để bóc tách các lớp than chì. Nhưng như họ giải thích sau này, điều quan trọng là họ đã thành công trong việc nhận biết ra sự tồn tại của các đơn lớp nguyên tử than chì. Phát hiện của họ đã được công bố trên tạp chí Science số tháng 10/2004 [69]. Trong bài báo này, họ đã mô tả việc chế tạo, nhận dạng và nêu ra các đặc điểm của graphene.

Phương pháp của họ đã nhanh chóng được ghi nhận và phổ biến rộng rãi. Nhưng quan trọng hơn là ngay sau đó nhóm này cùng với các nhóm khác trên thế giới đã có những bước đi dài hơn trong việc làm chủ được các kỹ thuật tạo ra các mẫu graphene với các điện cực thích hợp cho việc khảo sát các tính chất dẫn điện của loại vật liệu này. Một trong những kết quả quan trọng là họ đã chứng tỏ được hiệu ứng trường đối với các màng graphene, trong đó điện trở suất được thấy là thay đổi theo giá trị điện áp đặt vào lớp đế điện môi của mẫu đo.1 thể hiện rõ ràng các kết quả thực nghiệm này.1(B) mô tả sự thay đổi độ dẫn suất σ = 1/ρ(VG) theo VG tại nhiệt độ 70K.1(C) mô tả sự phụ thuộc của hệ số Hall RH vào VG. Đáng chú ý là điện trở suất có một cực đại rõ 10 1 TỔNG QUAN ràng, và giảm dần ở cả hai phía của cực đại đó.

Các số liệu này đã cho thấy nồng độ điện tử sẽ tăng dần nếu tăng điện áp dương đặt vào điện cực đế và nồng độ lỗ trống cũng sẽ tăng nếu tăng điện áp âm. Điều thú vị là tồn tại một giá trị cực tiểu của độ dẫn hay một giá trị cực đại của điện trở suất với giá trị vào khoảng 9kΩ cùng bậc với giá trị điện trở lượng tử (RQ=h/4e2). Một kết quả khác của nhóm này là đã đo được hiệu ứng Hall lượng tử dị thường ở ngay ở nhiệt độ phòng [70].2 thể hiện kết quả đo độ dẫn suất Hall (đỏ) và điện trở suất dọc (lục) là hàm của mật độ hạt mang điện, khung hình nhỏ thể hiện độ dẫn suất Hall đối với graphene hai lớp, lưu ý khoảng cách giữa các vùng bằng phẳng đối với graphene là 4e2/h, tức là lớn hơn so với hiệu ứng Hall lượng tử thông thường và các bậc dốc xuất hiện tại những bội bán nguyên của giá trị này, đối với một lớp đôi graphene thì chiều cao bậc dốc là như nhau, nhưng các bậc xuất hiện tại các bội nguyên của 4e2/h nhưng không có bậc nào tại mật độ bằng không.