Mô phỏng transistor phân tử vòng benzene liên kết 1 4 với các nguyên tố thuộc nhóm halogen

ĐẠI HỌC QUỐC GIAcTP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

TRẦN TIẾN PHỨC

MÔ PHỎNG TRANSISTOR PHÂN TỬ VÒNG BENZENE
LIÊN KẾT 1-4 VỚI CÁC NGUYÊN TỐ THUỘC NHÓM HALOGEN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

TP. HỒ CHÍ MINH - 2008


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

TRẦN TIẾN PHỨC

MÔ PHỎNG TRANSISTOR PHÂN TỬ VÒNG BENZENE
LIÊN KẾT 1-4 VỚI CÁC NGUYÊN TỐ THUỘC NHÓM HALOGEN
Chuyên ngành: Vật lý vô tuyến và điện tử
Mã số: 62 44 03 01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS. TS. Đinh Sỹ Hiền

TP. HỒ CHÍ MINH - 2008

i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của
chính bản thân. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án
là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công
trình nào khác trước đây.
Tác giả luận án

Trần Tiến Phức


ii

Lời cảm ơn!
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới PGS.TS. Đinh Sỹ Hiền – người
đã chỉ hướng, dìu dắt và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu
để thực hiện luận án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Nguyễn Hữu Phương, GS.TS. Lê
Khắc Bình, GS.TS. Nguyễn Đại Hưng, PGS.TS. Trần Hoàng Hải, GS.TS. Đặng
Lương Mô và TS. Lê Hữu Phúc; các Thầy Giáo, Cô Giáo trong Khoa Điện tử Viễn thông; các cán bộ Phòng Đào tạo Sau Đại học của Trường Đại học Khoa
học Tự nhiên; Phòng thí nghiệm Công nghệ nanô thuộc Đại học Quốc gia Tp.
HCM đã giúp đỡ tôi suốt quá trình học tập và nghiên cứu để hoàn thành luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn ThS. Phạm Thành Trung, ThS. Bùi An Đông
và CN. Đinh Việt Nga là các thành viên trong nhóm nghiên cứu của đề tài “Xây
dựng phần mềm mô phỏng NEMO-VN cho linh kiện điện tử nanô”.
Tôi xin chân thành cảm ơn những ý kiến quý báu về transistor phân tử của
GS. TS. Phan Hồng Khôi, Viện Khoa học Vật liệu, Viện KH&CNVN.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ph.D. Gerhard Klimeck - Technical Director
for the Network for Computational Nanotechnology - đã có thư động viên khích

lệ và cung cấp password để tôi có điều kiện tiếp cận và cập nhật thông tin về
linh kiện điện tử nanô trên trang WEB: . Tôi xin chân
thành cảm ơn Ph.D. Supriyo Datta về những bài giảng trong lónh vực “Quantum
Transport: Atom to Transistor” cùng những nhận xét, góp ý của Giáo sư về
transistor phân tử vòng benzene trong luận án này.
Tôi đặc biệt cảm ơn Gia đình và Bạn hữu đã động viên, giúp đỡ những lúc
gặp khó khăn trong suốt thời gian theo học và thực hiện luận án.
NCS. Trần Tiến Phức


iii

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LINH KIỆN ĐIỆN TỬ NANÔ ............................................ 5
1.1. GIỚI THIỆU CHUNG ......................................................................................................................................... 5
1.2. LINH KIỆN ĐIỆN TỬ NANÔ..................................................................................................................... 6
1.2.1. Những hạn chế của công nghệ vi điện tử ................................................................................... 6
1.2.2. Khái quát và phân loại linh kiện điện nanô ............................................................................ 7
1.2.3. Linh kiện điện tử nanô bán dẫn hiệu ứng lượng tử ........................................................... 8
1.2.3.1. Đảo, giếng thế và các hiệu ứng lượng tử ......................................................................... 9
1.2.3.2. Linh kiện đường hầm cộng hưởng ........................................................................................ 11
1.2.3.3. Hiệu ứng năng lượng trong các linh kiện lượng tử .............................................. 16
1.2.3.4. Những vấn đề nổi bật đối với linh kiện điện tử nanô bán dẫn.................. 23
1.2.3.5 Ống nanô Cacbon ................................................................................................................................ 25
1.2.4. Điện tử phân tử................................................................................................................................................. 30
1.2.4.1. Phân loại linh kiện điện tử phân tử dựa vào cấu trúc vật liệu ................. 31
1.2.4.2. Phân loại linh kiện điện tử phân tử dựa vào hiệu ứng chuyển mạch.. 33
1.2.4.3. Dây phân tử ............................................................................................................................................... 34
1.2.4.4. Linh kiện điện tử phân tử hiệu ứng lượng tử .............................................................. 35

1.2.4.5. Linh kiện chuyển mạch và khuếch đại cơ điện tử phân tử ............................ 35
1.2.4.6. Rơle phân tử .............................................................................................................................................. 36
1.2.4.7. Điôt phân tử .............................................................................................................................................. 37
1.2.4.8. Chuyển mạch và yếu tố nhớ ....................................................................................................... 38
1.2.4.9. Linh kiện ba chân ................................................................................................................................. 39
1.2.4.10. Linh kiện màng đơn phân tử ...................................................................................................... 40
1.2.4.11. Vấn đề điện cực và tiếp xúc trong điện tử phân tử .............................................. 42
1.2.5. Transistor phân tử ......................................................................................................................................... 43
1.2.5.1. Một số nghiên cứu điển hình về transistor phân tử ............................................. 43
1.2.5.2. Cấu tạo transistor phân tử .......................................................................................................... 47
1.2.5.3. Nguyên lý làm việc của transistor phân tử .................................................................. 50
1.2.5.4. Hàm Fermi ................................................................................................................................................. 53
1.2.6. Dòng điện IDS qua kênh dẫn của transistor phân tử ..................................................... 54
1.2.6.1. Mô tả đònh tính quá trình vận chuyển điện tích qua kênh phân tử ....... 54
1.2.6.2. Phân tích dòng IDS trên cơ sở hàm Fermi ..................................................................... 55
1.2.6.3. Dòng vào và dòng ra giữa kênh phân tử với hai điện cực D và S ......... 56
1.2.6.4. Biểu thức dòng điện IDS qua kênh dẫn chứa một mức năng lượng ε
tính cho một trạng thái spin ....................................................................................................... 58


iv

1.2.6.5. Tính lượng tử của độ dẫn.............................................................................................................. 60
1.2.6.6. Điện thế trong kênh dẫn ................................................................................................................ 63
1.2.6.7. Thuật toán vòng lặp........................................................................................................................... 66
1.2.6.8. Tương tác Coulomb ............................................................................................................................ 67
1.2.6.9. Điều kiện để lựa chọn phương pháp giải phương trình IDS........................... 69
1.2.6.10. Transistor kênh phân tử có kích thước nanô .............................................................. 71
CHƯƠNG 2: TRANSISTOR PHÂN TỬ VÒNG BENZENE ................................................... 74
2.1. XÂY DỰNG MẪU TRANSISTOR PHÂN TỬ ........................................................................ 74

2.2. CÁC THAM SỐ CỦA VẬT LIỆU LÀM KÊNH DẪN ..................................................... 76
2.2.1. Tham số tổng quát ......................................................................................................................................... 76
2.2.2. Phần mềm mô phỏng hóa học CAChe ........................................................................................ 77
2.2.3. Các tham số của phân tử làm kênh dẫn xác đònh trong CAChe ........................ 78
2.2.4. Liên kết của phân tử với nguyên tử Vàng ở điện cực D và S ................................ 84
2.3. SỬ DỤNG GUI TRONG MATLAB ĐỂ MÔ PHỎNG ....................................
TRANSISTOR PHÂN TỬ ........................................................................................................................... 86
2.3.1. Tạo Slider để nhập số liệu ..................................................................................................................... 86
2.3.2. Thuật toán của chương trình tính dòng IDS ............................................................................ 87
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRANSISTOR PHÂN TỬ .................................... 92
3.1. HỌ ĐẶC TRƯNG DÒNG - THẾ CỦA TRANSISTOR PHÂN TỬ ...................... 92
3.1.1. Họ đặc trưng dòng - thế ở đònh dạng *.m file ..................................................................... 93
3.1.2. Họ đặc trưng dòng - thế ở đònh dạng *.fig file ................................................................... 94
3.1.3. Nhận xét về họ đặc trưng dòng – thế của transistor phân tử C6H4F2 .......... 96
3.2. ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ LÊN HỌ ĐẶC TRƯNG DÒNG - THẾ ...... 97
3.3. ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ LƯNG TỬ HÓA KÍCH THƯỚC PHÂN TỬ
LÊN HỌ ĐẶC TRƯNG DÒNG – THẾ .........................................................................................100
3.3.1. Sự lượng tử hóa kích thước của phân tử ................................................................................100
3.3.2. Ảnh hưởng của sự lượng tử hóa kích thước dài phân tử lên đặc
trưng dòng - thế ..............................................................................................................................................102
3.3.3. Ảnh hưởng của sự lượng tử hóa kích thước rộng phân tử lên đặc
trưng dòng - thế ..............................................................................................................................................104
3.3.4 Kết quả mô phỏng transistor kênh phân tử C6H4Br2 .................................................106
3.4. ĐỀ XUẤT VỀ MẶT THỰC NGHIỆM .........................................................................................109
KẾT LUẬN ............................................................................................................................................................................111
DANH MỤC BÀI BÁO, CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ........................................................114
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................................................116


v

PHỤ LỤC .................................................................................................................................................................................120
PHỤ LỤC A: CODE MATLAB CỦA CHƯƠNG TRÌNH
TRONG LUẬN ÁN ..........................................................................................................................................120
PHỤ LỤC B: THIẾT KẾ VÀ XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ PHÂN TỬ
TRONG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG CACHE..........................................................................145
PHỤ LỤC C: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRANSISTOR KÊNH PHÂN TỬ ............157


vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Các hằng số cơ bản
q

điện tích của điện tử

1,602 × 10-19 C

h

hằng số Planck

6,626 × 10-34 J s

ћ

h / 2π

1,055 × 10-34 J s

m

khối lượng của điện tử tự do

9,11 × 10-31 kg

εo

hằng số điện môi của chân không

8,854 × 10-12 F/m

G0 = q2 / h

lượng tử độ dẫn

38,7 × 10-6 S
= 1 / (25,8 × 103 Ω)
S=1/Ω=A/V

Công thức hóa học
F

Fluorine

Cl

Chlorine

Br

Bromine

I

Iodion

C6H4F2

Difluorobenzene

C6H4Cl2

Dichlorobenzene

C6H4Br2

Dibromobenzene

C6H4I2

Diiodobenzene


vii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Tiếng Anh

Nghóa tiếng Việt

CB

Coulomb blockade

Cấm Coulomb

CMOS
CNT

Complementary Metal Oxide
Semiconductor

Bán dẫn oxit kim loại bổ sung

Carbon NanoTube

Ống nanô cacbon

Carbon NanoTube Field Effect

Transistor hiệu ứng trường

Transistor

dùng ống nanô cacbon

Drain

Cực máng

Erasable Progammable Rread -

Bộ nhớ ROM xóa được và lập

Only Memory

trình được

FET

Field Effect Transistor

Transistor hiệu ứng trường

G

Gate

Cực cổng

GUI

Graphic user interface

Giao diện người dùng

HME

Hybrid Molecular Electronics

Điện tử phân tử lai

Highest Occupied Molecular

Mức năng lượng cao nhất

Orbital

trong vùng hóa trò (vùng đầy)

CNTFET
D
EPROM

HOMO

Kính hiển vi điện tử truyền

HRTEM

High Resolution TEM

LB

Langmuir – Blodget

Màng Langmuir – Blodget

Lowest Unoccupied Molecular

Mức năng lượng thấp nhất

Orbital

trong vùng dẫn (vùng trống)

MATLAB

Matrix laboratory

MME

Mono Molecular Electronics

Phần mềm tính toán dưới
dạng ma trận
Điện tử đơn phân tử

LUMO

qua khả năng phân giải cao


viii

Metal-Oxide-Semiconductor Field

Transistor hiệu ứng trường

Effect Transistor

kim loại-ôxít-bán dẫn

MT

Molecular Transistor

Transistor phân tử

MWNT

Multi-Wall Nanotube

Ống nanô nhiều tường

MOSFET

NEGF

Non-equilibrium Green’s Function Hàm Green không cân bằng
Nano Electronic Modeling –

Bộ mô phỏng linh kiện điện

Vietnam

tử nanô của Việt Nam

QD

Quantum Dot

Chấm lượng tử

QW

Quantum Wire

Dây lượng tử

RTD

Resonant tunneling diode

Điôt đường hầm cộng hưởng

RTT

Resonant Tunneling Trasistor

S

Source

Transistor đường hầm cộng
hưởng

Cực nguồn

SCF

Self-consistent field

Trường tự tương thích

SET

Single electron transistor

Transistor đơn điện tử

SRAM

Static random-access memory

STM

Scanning Tunneling Microscopy

Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên
tónh
Kính hiển vi đường hầm quét

SWNT

Single-Wall Nanotube

Ống nanô đơn tường

TEM

Transmission Electron Microscopy

NEMO-VN

TSRAM

VLSI

Tunnelling Static Random Access
Memory
Very Large Scale Integration

Kính hiển vi điện tử truyền
qua
Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên
tónh dùng hiệu ứng đường
hầm
Mạch tích hợp mật độ rất cao


ix

DANH MỤC CÁC BẢNG
TT

Bảng

Trang

Bảng 1.1 Các đại lượng thay thế để tính IDS từ một mức năng lượng
mở rộng sang nhiều mức năng lượng mở rộng

72

Bảng 2.1 Nhiệt độ chuyển các trạng thái rắn – lỏng – khí của các
chất

77

Bảng 2.2 Các tham số phân tử cần thiết cho việc tính dòng IDS xác
đònh được qua phần mềm mô phỏng hóa học CAChe

84

Bảng 2.3 Kết quả tính toán cho thấy các tham số năng lượng của phân
tử không bò ảnh hưởng bởi các nguyên tử Vàng trong liên kết

85

Bảng 3.1 Giá trò các bước thay đổi độ dài L và độ rộng W của phân tử
C6H4Cl2

103


x

DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ VÀ HÌNH VẼ
TT

Đồ thò, hình vẽ

Hình 1.1

Phân loại linh kiện điện tử nanô

Hình 1.2

Giếng lượng tử cho một điôt đường hầm cộng hưởng
(RTD) [2]

Hình 1.3

Sơ đồ tiết diện ngang và nguyên lý hoạt động của điôt
đường hầm cộng hưởng (RTD

Hình 1.4

Tiết diện ngang và nguyên lý hoạt động của transistor
đường hầm cộng hưởng (RTT)

Hình 1.5

Sơ đồ của RTD-FET lai

Hình 1.6

Đặc trưng V-A của ba loại linh kiện điện tử nanô bán
dẫn: a) đồ thò biến thiên giếng thế lượng tử do thay đổi thế
thiên áp; b) đặc trưng của RTD; c) đặc trưng của QD;

Trang
8
10

12

13
14

15

d) đặc trưng của SET
Hình 1.7

(a) Cấu trúc của hộp đơn điện tử; (b) Mạch tương tương
đương của hộp đơn điện tử

18

Hình 1.8

Đặc trưng số điện tử đối với thế cổng của hộp đơn điện tử

19

Hình 1.9

(a) Cấu trúc SET; (b) Mạch tương đương của SET

20

Hình 1.10 Áp dụng của đònh lý Thevenin: a) mạch tương đương được
bao quanh bằng đường không liền nét nối với tiếp xúc
đường hầm của nguồn; b) mạch tương đương được bao
quanh bằng đường không liền nét nối tới tiếp xúc đường

21


xi

hầm của máng
Hình 1.11 Bố trí của nguyên tử cacbon trong CNT

25

Hình 1.12

26

Thí dụ về CNT với các vectơ chu vi khác nhau Ch

Hình 1.13 Transistor hiệu ứng trường dùng ống nanô cacbon
Hình 1.14

Tế bào SRAM làm bằng CNTFET nhờ nối chéo nhau với
các điện trở ngoài

28
28

Hình 1.15 Khái niệm cho một công nghệ vi mạch dựa hoàn toàn trên
CNT, tất cả các yếu tố hoạt và kết nối được chế tạo bằng

29

ống nano
Hình 1.16

Phác thảo đònh nghóa hệ thống phân tử khối và hệ thống
đơn phân tử

31

Hình 1.17 Dây phân tử có khả năng dẫn dòng điện

34

Hình 1.18

35

Cấu trúc và cơ chế của RTD phân tử

Hình 1.19 Chuyển mạch phân tử quay

36

Hình 1.20 Linh kiện điôt phân tử

37

Hình 1.21 Minh họa cấu trúc phân tử hai trạng thái bền

38

Hình 1.22

Linh kiện ba cực cơ điện tử nanô

39

Hình 1.23

a) Sơ đồ của linh kiện chỉnh lưu dựa trên màng LB phân
tử; b) đường cong I-V của lớp đơn LB chỉ thò đặc trưng

40

chỉnh lưu
Hình 1.24 Thiết kế một TSRAM từ các linh kiện và dây nối phân tử

41

Hình 1.25 a) mô phỏng transistor phân tử có kênh dẫn tiếp xúc với

44


xii

cực điều khiển. b) một vòng benzene trong kênh dẫn. c)
xác suất truyền điện tử theo mức năng lượng. d) họ đường
đặc trưng I-V của transistor
Hình 1.26

a) mô phỏng transistor phân tử có kênh dẫn cách ly với
cực điều khiển. b) mật độ trạng thái theo năng lượng.

45

c) đặc trưng I – V khi phân cực âm và nguồn nuôi âm. d)ï
đặc trưng I – V khi phân cực âm và nguồn nuôi dương
Hình 1.27

Một công thức phân tử C6H4S2 có thể tồn tại 5 công thức
cấu tạo khác nhau [35]

Hình 1.28

Phác thảo cấu tạo transistor trường có kích thước ở thang
nanômét

Hình 1.29

Phân bố mức năng lượng trong kênh phân tử và mức
Fermi ở điện cực S và D

Hình 1.30

Mô hình kênh phân tử. a) Kênh dẫn đơn phân tử.

46

47

48

49

b) Kênh dẫn dây phân tử
Hình 1.31

Tính dẫn điện loại n hay loại p của kênh phân tử

Hình 1.32 Phân cực cho MOSFET kênh cảm ứng loại n trong mạch
khuếch đại
Hình 1.33

Đồ thò hàm Fermi phụ thuộc vào nhiệt độ

Hình 1.34

Quá trình vận chuyển điện tử qua transistor khi có mức
năng lượng của kênh phân tử ở vào khoảng giữa hai mức

50
51
53

54

thế điện hóa của D và S
Hình 1.35

Phân biệt quá trình hình thành dòng IDS khi đảo chiều thế

55


xiii

cổng VG
Hình 1.36 Tương quan giữa hàm Fermi của kênh phân tử với hàm
Fermi của hai điện cực
Hình 1.37

Dòng vào và dòng ra

Hình 1.38

Một mức năng lượng trong kênh ở vào khoảng giữa hai
mức thế điện hóa các điện cực D, S được mở rộng

Hình 1.39

55
57
60

Một mức năng lượng E = ε được mở rộng có mật độ
trạng thái Dε (E) do sự liên kết của nguyên tử trong kênh

62

và điện cực
Hình 1.40

a) Mức năng lượng ε cao hơn thế điện hóa và VD = VG =
0 nên IDS = 0. b) VG > 0 đẩy mức năng lượng ε vào giữa

64

hai mức thế điện hóa, VD > 0 nên IDS > 0
Hình 1.41 Mạch điện dung tương đương

65

Hình 1.42 Thuật toán trường tự tương thích để tính dòng IDS

66

Hình 1.43

Mật độ trạng thái spin hướng lên và spin hướng xuống

chia thành hai phần phân ly bởi năng lượng nạp đơn điện

68

tử U0
Hình 1.44

Với linh kiện có kênh dẫn lớn có thể coi như gồm nhiều tế
bào nhỏ có năng lượng liên kết với nhau là t

Hình 1.45

Các tham số đặc trưng của transistor phân tử

Hình 1.46

Kênh có nhiều nguyên tử và nhiều mức năng lượng trong
vùng dẫn

Hình 2.1

Cấu trúc transistor kênh phân tử vòng benzene liên kết 1-4

70
71
73
74


xiv

với các nguyên tố thuộc nhóm Halogen
Hình 2.2

Các nguyên tố F, Cl, Br, I thuộc nhóm Halogen trong
bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học

Hình 2.3

Tên gọi, ký hiệu hóa học và cấu trúc của các phân tử

Hình 2.4

Cấu trúc phân tử sau khi tối ưu hóa: a) C6H4F2,

75
77
78

b) C6H4Cl2, c) C6H4Br2, d) C6H4I2
Hình 2.5

Mỗi phân tử có 3 cặp điện tử ghép đôi từ hai phía

Hình 2.6

Hộp thoại để chạy chương trình tính các mức năng lượng
trong phần mềm mô phỏng hóa học CAChe

Hình 2.7

79
80

Bảng số liệu Molecular Orbitals cung cấp thông tin về
các mức năng lượng. Bảng số liệu Atoms cung cấp thông

81

tin về mật độ mức
Hình 2.8

Mức LUMO trên ảnh phân tử ở trạng thái tương ứng

81

Hình 2.9

Xác đònh số mức năng lượng trong dải

82

Hình 2.10

Xác đònh mặt tương tác lực van der Waals của phân tử

82

Hình 2.11

Đo kích thước phân tử C6H4Cl2 và sự lượng tử hóa kích
thước

Hình 2.12 Phân tử C6H4F2 liên kết với Vàng ở ba hướng quan sát
khác nhau
Hình 2.13 Lưu đồ thuật toán tính dòng IDS
Hình 3.1

Kết quả họ đặc trưng dòng - thế của transistor kênh phân
tử C6H4F2 với sáu giá trò thế cổng khác nhau ở đònh dạng

83

85
91
93


xv

*.m file
Hình 3.2

Giao diện chính của chương trình mô phỏng transistor
phân tử

Hình 3.3

94

Kết quả khảo sát họ đặc trưng dòng - thế của transistor
kênh phân tử C6H4F2 ở 313 K, L = 0.7161 nm, W = 0.746
nm, với sáu giá trò thế cổng từ 0 V, 0.1 V, 0.2 V, 0.3 V, 0.4

95

V và 0.5 V
Hình 3.4

Họ đặc trưng dòng - thế của transistor kênh phân tử
o

C6H4F2 ở 27 C
Hình 3.5

Hiệu ứng nhiệt ở hai transistor kênh phân tử C6H4F2 và
C6H4Br2

Hình 3.6

96

98

Đặc trưng dòng - thế của transistor kênh phân tử C6H4F2
có thế cổng 0.3 V khi nhiệt độ thay đổi từ 193K (- 80 oC)

99

đến 393K (120 oC)

Hình 3.7

Dùng CAChe để đo kích thước phân tử C6H4F2

Hình 3.8

Khai báo 3 mục trong Property Inspector của Slider “Độ
rộng W”

Hình 3.9

101
102

Khảo sát ảnh hưởng của sự lượng tử hóa kích thước dài
phân tử C6H4Cl2 lên đáp trưng dòng - thế của transistor ở

103

nhiệt độ 313K, thế cổng 0.3 V, kích thước rộng 0.6918 nm
Hình 3.10 Khảo sát ảnh hưởng của sự lượng tử hóa kích thước rộng
phân tử C6H4Cl2 lên đáp trưng dòng - thế của transistor ở
nhiệt độ 313K, thế cổng 0.3V, kích thước dài 0.8405 nm

104


xvi

Hình 3.11

Mô tả tấm lưới trạng thái cùng mức năng lượng theo
chiều rộng của phân tử

Hình 3.12 Ảnh hưởng kích thước dài của phân tử C6H4Br2 lên đặc
trưng dòng - thế
Hình 3.13 Ảnh hưởng kích thước rộng của phân tử C6H4Br2 lên đặc
trưng dòng - thế
Hình 3.14 Họ đặc trưng dòng - thế của transistor kênh phân tử
C6H4Br2
Hình 3.15

Ảnh hưởng của nhiệt độ lên đặc trưng dòng - thế của
transistor kênh phân tử C6H4Br2

Hình 3.16 So sánh dòng IDS của các transistor dùng kênh phân tử
khác nhau
Hình 3.17

Đề xuất thực nghiệm để kiểm chứng kết quả mô phỏng
transistor kênh phân tử C6H4F2

105

116

116

117

117

108

109


1

MỞ ĐẦU
Những xu hướng nghiên cứu phát triển nổi bật của ngành công nghiệp bán
dẫn trên thế giới hiện nay là tiếp tục thu nhỏ kích thước, giảm công suất tiêu thụ
điện, giảm điện áp nguồn nuôi, giảm giá thành, tăng mật độ, tăng khả năng đáp
ứng tần số, mở rộng dải nhiệt độ làm việc của linh kiện. Những tiêu chí nêu trên
đã xuyên suốt cả quá trình từ lúc hình thành ngành công nghiệp bán dẫn và là
động lực thúc đẩy phát triển khoa học công nghệ về linh kiện điện tử từ xưa tới
nay. Năm 2007, Intel đã công bố đưa công nghệ 45 nm vào sản xuất chip. Việc
thu nhỏ kích thước của linh kiện điện tử hoạt động theo nguyên lý truyền thống
như của CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) sẽ tiệm cận tới
giới hạn nhất đònh mà nhiều người dự đoán là khoảng 10 nm. Khi kích thước linh
kiện xuống hàng nanômét, những hiệu ứng mới xuất hiện (hiệu ứng lượng tử) và
trở thành những vấn đề chính yếu trong quá trình vận chuyển của điện tích. Đây
là một lónh vực nghiên cứu mới mẻ và hấp dẫn: điện tử nanô. Công nghệ nanô
nói chung và điện tử nanô nói riêng đang lôi cuốn nhiều trường đại học, viện
nghiên cứu trên thế giới tham gia. Công nghệ nanô là chương trình trọng điểm
của nhiều Chính phủ ở các nước phát triển.
Phòng thí nghiệm Công nghệ Nanô thuộc Đại học Quốc gia Thành phố Hồ
Chí Minh đã được xây dựng và đi vào hoạt động là một minh chứng về sự quan
tâm của Chính phủ cùng các nhà khoa học Việt Nam trong lónh vực này. Nhiều
công trình nghiên cứu về lónh vực nanô đã và đang được thực hiện có kết quả.

Tại Khoa Điện tử Viễn thông, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên thuộc Đại học
Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh đã thực hiện đề tài nghiên cứu cấp Bộ “Xây
dựng phần mềm mô phỏng NEMO-VN cho linh kiện điện tử nanô” (NEMO-VN:
Nano Electronic Modeling – Vietnam). Dưới sự chỉ đạo của PGS.TS. Đinh Sỹ


2

Hiền và các cộng sự – trong đó có sự tham gia tích cực của Nghiên cứu sinh
Trần Tiến Phức – đã xây dựng chương trình mô phỏng điôt đường hầm cộng
hưởng (resonant tunneling diode, RTD) và các linh kiện thấp chiều như chấm
lượng tử (Quantum Dot, QD), dây lượng tử (Quantum Wire, QW), và giếng lượng
tử (Quantum Well, Qwell) [3]. Một chương trình mô phỏng các linh kiện điện tử
nanô 3D dựa trên giao diện đồ họa của người sử dụng GUI (graphic user
interface) trong phần mềm MATLAB (matrix laboratory) đã được hoàn thành.
Nhờ sử dụng GUI của MATLAB, NEMO-VN cho phép nhập các thông số, điều
khiển tính toán, hiển thò kết quả và phân tích dữ liệu một cách nhanh chóng, trực
quan và thân thiện. Đề tài đã được hội đồng nghiệm thu đánh giá tốt và có nhiều
ý nghóa rất thiết thực trong công tác giảng dạy học phần “Điện tử nanô”â cho các
bậc Đại học, Cao học tại Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh.
Tiếp tục phát triển và mở rộng NEMO-VN, luận văn này sẽ mô phỏng một
linh kiện có cấu trúc cụ thể – Transistor phân tử (Molecular Transistor, MT) .
Đây là hướng nghiên cứu tiếp cận từ dưới lên (bottom up) của điện tử nanô và có
tính khả thi về mặt công nghệ trong tương lai gần.
Mục đích của đề tài này nhằm thiết kế và mô phỏng hoạt động của
transistor sử dụng phân tử là vòng benzene liên kết đối xứng với hai nguyên tử
thuộc nhóm Halogen (Flourine - F, Chlorine - Cl, Bromine - Br, Iodine – I) làm
kênh dẫn tiếp xúc với hai điện cực bằng Vàng (Au) làm cực nguồn (Source - S)
và cực máng (Drain - D). Cực cổng (Gate - G) được cách ly với kênh phân tử bởi
một vài lớp phân tử SiO2 . Giao diện GUI trong MATLAB được sử dụng để thể

hiện kết quả mô phỏng và xem xét ảnh hưởng các tham số kích thước, nhiệt độ,
thế điều khiển ở cực cổng lên họ đặc trưng.


3

Nghiên cứu, phát hiện các phân tử mới thỏa mãn điều kiện làm kênh dẫn
trong transistor đang được rất nhiều nhóm nghiên cứu trên toàn thế giới quan
tâm và thực hiện bằng các phương pháp khác nhau. Đề tài này không nhắm tới
việc xây dựng một phần mềm mô phỏng độc lập để đạt được mục đích trên bởi
đó là một khối lượng công việc quá lớn so với khả năng của tác giả và giới hạn
thời gian của đề tài. Công trình này sử dụng cơ sở lý thuyết về transistor phân tử
được Supriyo Datta cùng các cộng sự phát triển và đã công bố trong tài liệu
“Quantum Transport: Atom to Transistor” [34]. Thay cho một ví dụ lấy các tham
số theo giả thiết chủ quan của S. Datta thì công trình này tìm kiếm và xác lập
các tham số phân tử cụ thể thỏa mãn tính chất lý thuyết bằng phần mềm mô
phỏng hóa học “CAChe”. Phần mềm mô phỏng hóa học CAChe cũng đang được
Phòng thí nghiệm Nanô của Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh sử dụng
cho các nghiên cứu viên của mình. Tác giả đã thực hiện giải bài toán và vẽ họ
đặc trưng trong GUI của MATLAB để dễ dàng thay đổi các tham số thử nghiệm
qua các Slider, so sánh và phân tích kết quả trên cùng một hệ trục tọa độ.
Kết quả mô phỏng về transistor phân tử ở đề tài này cho ta một cách nhìn
trực quan và tin tưởng về tính khả thi của nó trong tương lai gần. Tác giả của đề
tài này đã tiếp tục phát triển, mở rộng thêm NEMO - VN do PGS.TS. Đinh Sỹ
Hiền và các cộng tác viên tại Khoa Điện tử Viễn thông, Trường Đại học Khoa
học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh thực hiện. Lần đầu
tiên trên thế giới, transistor sử dụng kênh dẫn là các phân tử Difluoro Benzene
(C6H4F2), Dichloro Benzene (C6H4Cl2), Dibromo Benzene (C6H4Br2), Diiodo
Benzene (C6H4I2) được tác giả mô phỏng thành công nhờ sử dụng GUI trong
MATLAB. Tác giả đã thiết kế một giao diện hoàn toàn mới, trực quan và thân

thiện. Chúng ta dễ dàng thấy được ảnh hưởng của các tham số điện áp, kích


4

thước, nhiệt độ lên đặc trưng của transistor. Nội dung của đề tài có thể sử dụng
cho việc giảng dạy về Điện tử nanô ở bậc Đại học và Cao học. Đồng thời, nó đặt
ra một hướng nghiên cứu mới về mặt công nghệ để kiểm chứng cơ sở lý thuyết
và kết quả mô phỏng thu được: transistor dùng kênh dẫn là một phân tử của các
chất C6H4F2, C6H4Cl2, C6H4Br2, C6H4I2 có họ đặc trưng như của MOSFET
(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) ở bán dẫn khối, nguồn
nuôi thấp, dải nhiệt độ làm việc rộng.


5

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ LINH KIỆN ĐIỆN TỬ NANÔ
1.1.

GIỚI THIỆU CHUNG
Vào năm 1965, Gordon Moore, mà sau này là người đồng sáng lập nên

hãng Intel, đã tiên đoán về việc tăng gấp đôi số linh kiện điện tử trong mỗi chip
hàng năm. Ngày nay, đònh luật Moore đã được nhắc đến trong nhiều lónh vực
khác như: mật độ lưu trữ của đóa cứng, tốc độ truyền trong mạng, số phát minh
và sáng chế trong khoa học công nghệ. Thực tế, mọi cái trong công nghiệp đều
tăng theo quy luật hàm số mũ. Dó nhiên, trong lónh vực thu nhỏ kích thước linh
kiện điện tử thì kích thước nguyên tử của vật chất sẽ xác lập giới hạn đối với

đònh luật Moore.
Công nghệ nanô hiện nay đã được nhiều nước chọn hướng ưu tiên phát
triển. Những hướng công nghệ nanô chính phải kể đến là: công nghệ sinh học
nanô; vật lý nanô; điện tử học nanô; y học nanô [1].
Nhiều lónh vực kỹ thuật và nghiên cứu khoa học đòi hỏi phải có các thiết bò
điện tử siêu nhỏ, tiêu tán công suất thấp, hiệu suất sử dụng nguồn điện cao, hoạt
động ổn đònh ở dải nhiệt độ rộng, trong môi trường có áp lực lớn hay chân
không. Những yêu cầu đó là động lực thúc đẩy mạnh mẽ các nghiên cứu về linh
kiện điện tử nanô hiện nay.
Trước khi đi đến linh kiện điện tử thang nanômét “thuần tuý” sẽ có một giai
đoạn trung gian sản xuất các“mạch lai”. Để có sản phẩm điện tử nanô dạng
thương mại trên thò trường trong những năm tới cần có nhiều thay đổi cơ bản
trong công nghệ vi điện tử hiện đang được sử dụng. Ở kích thước dải nanô những
linh kiện điện tử hoạt động theo nguyên lý khác so với bán dẫn khối.


6

Do đây là một lónh vực khoa học đang phát triển rất nhanh và sôi động trên
thế giới, một số vấn đề vẫn còn đang tiếp tục nghiên cứu phát triển, kết quả
công bố diễn biến từng ngày nên luận án này khó có thể tổng quan được trọn
vẹn.
1.2.

LINH KIỆN ĐIỆN TỬ NANÔ

1.2.1. Những hạn chế của công nghệ vi điện tử
Xu hướng phát triển nổi bật của công nghệ vi điện tử là tiếp tục thu nhỏ
kích thước của các thành phần mạch trong đó có transistor, tăng mật độ linh kiện
trong một đơn vò thể tích. Những transitor trường có độ dài cổng 40 nm dùng Si

[20] và độ dài cổng bằng 25 nm dùng GaAs đã được chế tạo nhưng tính đồng
nhất của chúng chưa đủ tin cậy để làm nên chip có độ tích hợp tới hàng tỷ. Tuy
nhiên, việc giảm kích thước của FET (Field Fffect Transistor) đến thang nanô là
có giới hạn vì những lý do sau:
- Điện trường cao, do thế thiên áp đặt vào trên một khoảng cách rất ngắn,
có thể “đánh thủng thác lũ” tạo nên tràn dòng và hỏng linh kiện. Mặt khác, ở
nhiệt độ môi trường bình thường (nhiệt độ phòng) luôn luôn có nhiễu do nhiệt độ
gây ra vào khoảng 25 mV. Muốn transistor làm việc ổn đònh ở nhiệt độ phòng,
điện thế tác dụng lên nó cần lớn hơn điện thế nhiễu ít nhất là bốn năm lần, tức
là cỡ trên 100 mV. Khi thu nhỏ transistor, các điện cực càng gần nhau hơn, điện
thế cỡ 100 mV vẫn gây nên điện trường đủ lớn để đánh thủng chất bán dẫn hoặc
điện môi không tốt ( E =

V
).
d

- Các transistor trong vi mạch mạch phải cách điện với nhau. Điện tử từ
transistor này không được rò rỉ qua transistor khác. Tuy nhiên, khi các transistor


7

(hay dây nối) quá gần nhau thì hiệu ứng đường hầm sẽ xảy ra, điện tử xuyên qua
lớp cách điện ngoài ý muốn.
- Mật độ linh kiện trong mạch càng cao thì khi làm việc nhiệt tỏa ra càng
nhiều. Nhiệt độ cao sẽ làm mất tính chất bán dẫn điện của vật liệu tạo nên
transistor.
Điện tử nanô sẽ khắc phục những hạn chế nêu trên và tạo ra những linh
kiện yêu cầu nguồn nuôi thấp hơn, hoạt động ở dải nhiệt độ rộng hơn, bền vững

trong môi trường áp suất cao hay chân không.
1.2.2. Khái quát và phân loại linh kiện điện nanô
Trong những năm qua, tốc độ xử lý của máy tính điện tử càng nhanh hơn
còn kích thước linh kiện điện tử thì ngày càng nhỏ hơn. Tuy nhiên, các hiệu ứng
lượng tử và kỹ thuật chế tạo sớm ngăn cản việc thu nhỏ kích thước linh kiện.
Thực tế cho thấy, kích thước của các transistor bán dẫn khối thu nhỏ xuống hàng
chục nanômét thì việc chế tạo khó hơn và giá thành sẽ cao hơn. Mặt khác,
chúng có thể không hoạt động được trong vi mạch có mật độ hết sức cao.
Để tiếp tục thu nhỏ các linh kiện điện tử xuống thang nanô, thang phân tử
hay nguyên tử cần nghiên cứu chế tạo theo những nguyên lý mới dựa trên các
hiệu ứng của cơ học lượng tư.û Do đònh hướng nghiên cứu của đề tài nên linh kiện
điện tử nanô hiệu ứng lượng tử mà cụ thể là transistor phân tử được lựa chọn để
phân tích sâu hơn trong phần này. Hình 1.1 là bức tranh tổng quát về linh kiện
điện tử nanô hiện nay.
Transistor phân tử là loại linh kiện lợi dụng các hiệu ứng lượng tử, chòu sự
chi phối động học của điện tử trên thang nanô nên có nhiều thay đổi cả nguyên
tắc hoạt động lẫn vật liệu được sử dụng. Các phân tử của một hợp chất vốn có