Luận văn thạc sĩ hus tính truyền dẫn điện qua lưỡng chuyển tiếp n p n graphene so sánh với thực nghiệm

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu hus tính truyền dẫn điện qua lưỡng chuyển tiếp n p n graphene so sánh với thực nghiệm, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất

• Tác giả: Bùi Thái Học
• Người hướng dẫn: Gs. Tskh Nguyễn Văn Liễn
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Vật lý nhiệt
• Đề tài: Tính truyền dẫn điện qua lưỡng chuyển tiếp n-p-n graphene – so sánh với thực nghiệm
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: GRAPHENE – VẬT LIỆU CỦA ELECTRONICS TƯƠNG LAI
• 1.1. Graphene: tinh thể hai chiều đầu tiên
• 1.2. Graphene: hạt tải điện tựa Dirac
• 1.3. Graphene: chui ngầm Klein
• 1.4. Graphene: Hiệu ứng Hall lượng tử dị thường
• 1.5. Graphene: dẫn điện và nhiệt tuyệt vời
• 1.6. Graphene: tiềm năng ứng dụng và thách thức
• 2. CHƯƠNG 2: TRUYỀN DẪN ĐIỆN QUA LƯỠNG CHUYỂN TIẾP n-p-n GRAPHENE
• 2.1. Từ lưỡng chuyển tiếp đến transistor bán dẫn
• 2.2. Lưỡng chuyển tiếp n-p-n
• 2.3. Transistors lưỡng cực
• 2.4. Chuyển tiếp graphene
• 2.4.1. Các phương pháp chế tạo
• 2.4.2. Các mô hình lý thuyết bờ thế truyền thống
• 2.4.3. Mô hình thế dạng Gauss
• 2.4.4. Truyền dẫn ballistic qua lưỡng chuyển tiếp n-p-n
• 2.4.4.1. Truyền dẫn ballistic
• 2.4.4.2. Hệ thức cơ bản trong hình thức luận Landauer
• 2.5. Phương pháp tính số và kết quả
• 2.5.1. Tính xác suất truyền qua bằng phương pháp T-matrix
• 2.5.2. Điện trở của lưỡng chuyển tiếp n-p-n graphene
• 2.6. Đường đặc trưng Vôn-Ampe (I-V)
• 2.7. Hệ số Fano
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về tính truyền dẫn điện qua lưỡng chuyển tiếp n p n graphene

Tính truyền dẫn điện là một trong những đặc tính quan trọng nhất của vật liệu, đặc biệt là trong lĩnh vực điện tử. Graphene, với cấu trúc hai chiều độc đáo, đã thu hút sự chú ý lớn trong nghiên cứu và ứng dụng. Lưỡng chuyển tiếp n-p-n graphene là một trong những cấu trúc hứa hẹn nhất cho các linh kiện điện tử tương lai. Nghiên cứu này sẽ so sánh tính truyền dẫn điện qua lưỡng chuyển tiếp n-p-n graphene với các kết quả thực nghiệm, nhằm làm rõ những ưu điểm và thách thức của vật liệu này.

1.1. Đặc điểm của graphene và ứng dụng trong điện tử

Graphene là một vật liệu có tính dẫn điện và nhiệt tuyệt vời, với cấu trúc tinh thể hai chiều. Đặc tính này làm cho graphene trở thành ứng cử viên lý tưởng cho các ứng dụng trong điện tử, như transistor, cảm biến và linh kiện quang học. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng graphene có thể cải thiện hiệu suất của các linh kiện điện tử nhờ vào khả năng dẫn điện cao và tính linh hoạt trong thiết kế.

1.2. Lưỡng chuyển tiếp n p n Cấu trúc và nguyên lý hoạt động

Lưỡng chuyển tiếp n-p-n là một cấu trúc bán dẫn, trong đó có hai lớp n-type và một lớp p-type. Nguyên lý hoạt động của nó dựa trên sự điều khiển dòng điện qua các lớp này. Khi áp dụng điện áp, dòng điện có thể được điều chỉnh, cho phép lưỡng chuyển tiếp n-p-n graphene hoạt động như một transistor. Điều này mở ra nhiều khả năng cho việc phát triển các linh kiện điện tử mới.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu tính truyền dẫn điện

Mặc dù graphene có nhiều ưu điểm, nhưng việc nghiên cứu tính truyền dẫn điện qua lưỡng chuyển tiếp n-p-n vẫn gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như độ ổn định của cấu trúc, ảnh hưởng của tạp chất và điều kiện môi trường có thể ảnh hưởng đến tính dẫn điện của graphene. Việc hiểu rõ những thách thức này là cần thiết để phát triển các ứng dụng thực tiễn.

2.1. Ảnh hưởng của tạp chất đến tính dẫn điện của graphene

Tạp chất có thể làm giảm tính dẫn điện của graphene bằng cách tạo ra các trạng thái năng lượng không mong muốn trong vùng cấm. Nghiên cứu cho thấy rằng việc kiểm soát tạp chất trong quá trình chế tạo graphene là rất quan trọng để duy trì tính dẫn điện cao. Các phương pháp như xử lý hóa học và nhiệt có thể được áp dụng để cải thiện chất lượng của graphene.

2.2. Điều kiện môi trường và ảnh hưởng đến tính dẫn điện

Điều kiện môi trường như nhiệt độ và độ ẩm có thể ảnh hưởng đáng kể đến tính dẫn điện của graphene. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng tính dẫn điện của graphene giảm khi nhiệt độ tăng do sự gia tăng tán xạ. Việc hiểu rõ các yếu tố này sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất của các linh kiện điện tử dựa trên graphene.

III. Phương pháp nghiên cứu tính truyền dẫn điện qua lưỡng chuyển tiếp n p n graphene

Để nghiên cứu tính truyền dẫn điện qua lưỡng chuyển tiếp n-p-n graphene, nhiều phương pháp đã được áp dụng. Các phương pháp lý thuyết và thực nghiệm đều đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu rõ cơ chế dẫn điện của graphene. Nghiên cứu này sẽ trình bày các phương pháp chính được sử dụng trong nghiên cứu.

3.1. Phương pháp lý thuyết Mô hình và công thức

Các mô hình lý thuyết như mô hình bờ thế truyền thống và mô hình thế dạng Gauss đã được sử dụng để mô tả tính dẫn điện của graphene. Công thức Landauer được áp dụng để tính toán độ dẫn điện, cho phép dự đoán chính xác tính truyền dẫn điện trong các cấu trúc nhỏ. Những mô hình này cung cấp cái nhìn sâu sắc về cơ chế dẫn điện trong graphene.

3.2. Phương pháp thực nghiệm Thiết kế và thực hiện thí nghiệm

Thí nghiệm được thực hiện để đo đạc tính dẫn điện của lưỡng chuyển tiếp n-p-n graphene. Các thiết bị như máy đo điện trở và hệ thống điều khiển nhiệt độ được sử dụng để đảm bảo độ chính xác trong kết quả. Kết quả thực nghiệm sẽ được so sánh với các dự đoán lý thuyết để đánh giá tính chính xác của mô hình.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn của graphene

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng tính truyền dẫn điện qua lưỡng chuyển tiếp n-p-n graphene có thể đạt được hiệu suất cao. Các ứng dụng thực tiễn của graphene trong điện tử đang ngày càng được mở rộng, từ cảm biến đến linh kiện quang học. Nghiên cứu này sẽ trình bày các kết quả chính và ứng dụng tiềm năng của graphene.

4.1. Kết quả thực nghiệm về tính dẫn điện của graphene

Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng lưỡng chuyển tiếp n-p-n graphene có tính dẫn điện cao hơn so với các vật liệu truyền thống. Đặc biệt, điện trở của lưỡng chuyển tiếp n-p-n graphene giảm đáng kể khi áp dụng điện áp, cho thấy khả năng điều khiển dòng điện hiệu quả. Những kết quả này mở ra nhiều cơ hội cho việc phát triển các linh kiện điện tử mới.

4.2. Ứng dụng của graphene trong công nghệ điện tử

Graphene có tiềm năng ứng dụng lớn trong nhiều lĩnh vực, bao gồm cảm biến, transistor và linh kiện quang học. Các nghiên cứu hiện tại đang tập trung vào việc phát triển các sản phẩm thương mại dựa trên graphene, nhằm tận dụng những ưu điểm vượt trội của vật liệu này. Sự phát triển này có thể cách mạng hóa ngành công nghiệp điện tử trong tương lai.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu graphene

Nghiên cứu tính truyền dẫn điện qua lưỡng chuyển tiếp n-p-n graphene đã chỉ ra nhiều tiềm năng và thách thức. Kết quả cho thấy graphene có thể là vật liệu chủ chốt cho các ứng dụng điện tử trong tương lai. Tuy nhiên, cần tiếp tục nghiên cứu để giải quyết các vấn đề hiện tại và tối ưu hóa hiệu suất của graphene.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu đã xác nhận rằng graphene có tính dẫn điện cao và có thể được sử dụng hiệu quả trong các cấu trúc lưỡng chuyển tiếp n-p-n. Những phát hiện này mở ra hướng đi mới cho nghiên cứu và phát triển các linh kiện điện tử dựa trên graphene.

5.2. Triển vọng tương lai của graphene trong điện tử

Triển vọng tương lai của graphene trong ngành điện tử là rất lớn. Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc cải thiện chất lượng graphene và phát triển các ứng dụng thực tiễn. Sự phát triển của công nghệ graphene có thể dẫn đến những bước tiến lớn trong lĩnh vực điện tử và công nghệ nano.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 GRAPHENE – VẬT LIỆU CỦA ELECTRONICS TƯƠNG LAI 1.1 Graphene: tinh thể hai chiều đầu tiên acc = Hình 1.1: Mô hình mạng tinh thể graphene, gồm hai mạng con tam giác A và B giống nhau, lồng vào nhau Graphene là một mạng tinh thể hai chiều được tạo thành do sự liên kết giữa các nguyên tử carbon sắp xếp tại đỉnh các ô lục giác [4], mà hai đỉnh gần nhất cách nhau acc = 1. Có thể xem mạng này gồm hai mạng con tam giác giống nhau, lồng vào nhau (kí hiệu là A và B) trên hình 1. Nguyên tố carbon đứng ở vị trí thứ sáu trong bảng tuần hoàn, có cấu hình electron 1s22s22p2 với bốn electron ở lớp ngoài cùng. Ba trong số bốn electron này hình thành các orbital lai hóa sp2, thực hiện các liên kết σ với các nguyên tử 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] lân cận, đảm bảo o tính b bền vững của mạng, electron cuốii cùng th thực hiện liên kết π không định xứ trên toàn m mạng tạo thành khí electron hai chi chiều quyết định các tính chất điện n ccủa graphene.

Mạng tinh thể graphene đư được xác định   3 1   3 1 bằng các vector cơ sở:: a1  a  ,  và a2  a  ,   như hình ình 1.2(a), trong  2 2  2 2 đó a = 3acc là hằng số m mạng.2: Các vector cơ sở s và vùng Brillouin của a graphene: (a) Các vector     cơ sở mạng thuận ( a1 , a2 ), (b) các vector cơ sở mạng đảo ( b1 b2 ) và vùng Brillouin thứ nhất   Từ các vector cơ sở s ( a1 , a2 ) ta có thể xây dựng ng các vector mạng m đảo:  2p  1   2p  1  b1   ,1 và b2   , 1 và vùng Brillouin thứ nhấtt c của graphene a  3  a  3  như trình bày trên hình ình 1. Vùng Brillouin thứ nhất củaa graphene có d dạng lục giác đều với trụcc quay b bậc 6 qua điểm . Trong sáu điểm đi của vùng Brillouin chỉ có hai điểm đi m (K, K') là không tương đương, các đỉnh đ này còn được gọi là các điểm m Dirac, các điểm đi còn lại thu được bằng ng cách tịnh tiến các điểm này mộtt vector mạng m đảo. Chính tính đối xứng củaa m mạng tinh thể graphene quyết định nh các tính chất ch đặc biệt của vật liệu này.

5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.2 Graphene: hạt tải điện tựa Dirac [1] Cấu trúc vùng năng lượng của graphene đã được nghiên cứu chi tiết bằng phương pháp gần đúng liên kết mạnh (tight − binding) và ab − initio. Ở đây, để đơn giản chúng tôi giới thiệu tính toán bằng phương pháp gần đúng liên kết mạnh. Hàm sóng của electron trong gần đúng liên kết mạnh được tìm dưới dạng tổ hợp tuyến tính của hai hàm Bloch trên hai mạng con:  = CAA + CBB (1.1) trong đó:   1   ik R    A (k, r)  N0  z e  p (r  R A  R) R   1   ik R    B (k, r)  N  e p (r  R  R)  z B 0 R  với pz (r) là hàm nút nguyên tử (orbital pz của nguyên tử carbon), N0 là số ô nguyên tố mà trên đó ta áp dụng điều kiện biên tuần hoàn Born-Von Karman. Dưới dạng đơn giản nhất, năng lượng của trạng thái electron (E) là trị riêng của Hamiltonian liên kết mạnh (phương pháp LCAO - trực giao) H H AB  H =  AA  H BA H BB  có thể xác định từ phương trình: H AA  E H AB det * 0 (1.2) H AB H BB  E các yếu tố ma trận được tính trực tiếp theo định nghĩa:      1 ik (R  R ') A,R A,R ' H AA   N 0 R ,R' e p z H p z 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.

Ta lưu ý rằng trong các biểu thức trên, khi cho   một trong hai chỉ số (R, R ') biến đổi, ta thấy tổng có tính đối xứng đối với tất cả các vị trí khác nhau trên mạng của chỉ số kia. Kết quả là thừa số 1 /N0 sẽ tự động triệt tiêu khi thực hiện lấy tổng theo một chỉ số. Do đó có thể viết lại các số hạng này dưới dạng:     H AA   eik R ' p zA,R H p zA,R '  R'     ik R ' A,R B,R ' H AB   e p z Hp z  R' Khai triển hệ thức trên, giữ lại đến tương tác ở lân cận thứ hai như minh họa trên hình 1.3: 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.3: Mạng tinh thể graphene. Mỗi nguyên tử carbon có 3 nguyên tử lân cận gần nhất và 6 nguyên tử lân cận tiếp theo.

Trên hình, 3 nguyên tử lân cận gần nhất của nguyên tử số "0" là các nguyên tử số "11, 12, 13", và 6 nguyên tử lân cận tiếp theo của nguyên tử số "0" là các nguyên tử số "21, 22. Từ đây ta có: 6    ik R j A,R j H AA  p zA,0 H p zA,0   e p zA,0 H p z j1          H AB  eik 1 p zA,0 H p zB,1  eik 2 p zA,0 H p zB,2  eik 3 p zA,0 H p zB,3 Ngoài ra, do tính đối xứng của hai mạng thành phần ta có HAA = HBB, và do tính liên hợp Hermite của toán tử Hamilton thì HAB = H*BA. Đặt:   p A,0 z H p A,0 z    t  p A,0 z H p zB,1  p A,0 z H p zB,2  p A,0 z H p zB,3  A,0 A,R j t'  p z Hp z 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 6   ik R j  H AA  H BB    t '  e    t 'f 2 (k) j1        H AB  H*BA  t(eik 1  eik 2  eik 3 )  t f1 (k) (1.3) Tọa độ của 3 lân cận thứ nhất:  a  a  1  (1, 3) 2  (1,  3) 3  a(1, 0) 2 2 và 6 lân cận thứ 2:        1'   a1 '2   a 2 3'   (a 2  a1 )  a  a trong đó: a1  (3, 3) và a 2  (3,  3) 2 2 Từ (1.3) ta tính được:   ia (k x  3k y )  ia (k x  3k y ) f1 (k)  e 2 e 2  eiak x         f 2 (k)  2 cos(ka1 )  cos(ka 2 )  cos(k(a 2  a1 ))    3ak x 3ak y  = 4 cos( ) cos( )  2 cos( 3ak y )  f (k) 2 2  2    Ta thấy f1 (k)  3  f (k). Thay các giá trị f1 (k) và f 2 (k) vào (1.2) rồi giải phương trình thu được (quy ước ħ = 1):    E(k)    t 3  f (k)  t 'f (k) (1.4) Trong đó: • α là gốc tính năng lượng, có thể chọn α = 0.

9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.8eV là năng lượng hopping giữa hai lân cận gần nhất (nguyên tử thuộc hai mạng con A và B).1eV là năng lượng hopping giữa hai lân cận gần thứ hai (nguyên tử cùng một mạng con, AA hoặc BB). • f ( k ) = 2cos  3k a   4 cos 32 k a  cos 23 k a  y x y     Phương trình (1.4) chính là hệ thức tán sắc của electron trong cấu trúc mạng đơn lớp graphene ở gần đúng liên kết mạnh. Do đóng góp của số hạng liên quan với lân cận thứ hai là rất nhỏ so với lân cận gần nhất, nên trong miền năng lượng thấp lân cận điểm Dirac người ta thường chỉ dừng lại ở gần đúng lân cận gần nhất, nghĩa là gần đúng xem t′ = 0. Khi đó, hệ thức (1.5) ở đây, dấu cộng ứng với trang thái trong vùng dẫn, dấu trừ ứng với trạng thái trong vùng hóa trị.

Cấu trúc vùng năng lượng (1.5) được minh họa bằng đường cong đứt đoạn trên hình 1. Đường cong liên tục là kết quả tính bằng phương pháp ab−initio. Do trong phương pháp gần đúng liên kết mạnh ta chỉ xét đến đóng góp của số hạng ở lân cận gần nhất, nên kết quả nhận được không trùng khớp với kết quả của ab−initio ở miền năng lượng tương đối cao. Sự sai khác đó được mô tả trên hình 1.

10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. (b) Sự sai khác giữa hai phương pháp tính.5: (a) Mô tả không gian cấu trúc vùng năng lượng của graphene với 6 điểm Dirac, (b) phóng to vùng lân cận của một điểm Dirac. Ô cơ sở của mạng graphene có hai nguyên tử carbon nên có hai electron tự do, do đó vùng hóa trị hoàn toàn lấp đầy và vùng dẫn hoàn toàn trống. Chúng tiếp xúc nhau ở sáu điểm của vùng Brillouin như thể hiện ở hình 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.5(a), trong đó chỉ có hai điểm K và K′ là không tương đương.

Trong graphene tinh khiết (chưa pha tạp), mặt Fermi đi qua điểm tiếp xúc vùng dẫn và vùng hóa trị, tại đây có suy biến electron-lỗ trống. Như vậy, có thể kết luận graphene là một bán kim. Hầu hết các tính chất electron quan trọng của graphene đều được xác định bởi các trạng thái electron có năng lượng gần mức Fermi (năng lượng thấp). Do đó, khai triển Taylor cấu trúc vùng năng lượng       (1.5) xung quanh điểm K hoặc K ' : k  K  q , với điều kiện q  K ta được:   E ( q )   vF q (1.6) trong đó vF = 3ta / 2  106 m / s là vận tốc Fermi hoàn toàn không phụ thuộc vào nồng độ hạt tải, giống của photon – hạt tải điện tương đối tính Dirac.

Ta thấy rằng, hệ thức tán sắc (1.6) của electron trong graphene là tuyến tính với vector sóng mô tả trên hình 1.5(b), khác biệt hoàn toàn với hệ thức tán sắc parabol của electron tự do trong kim loại hay bán dẫn hai chiều. Quy luật tuyến tính trong (1.6) là gần đúng tốt trong miền |E | ≤ t.