Введение к работе
Актуальность темы
Анализ результатов многочисленных теоретических и экспериментальных исследований свойств однослойных углеродных нанотрубок (ОСУНТ) позволяет утверждать, что эти структуры обладают рядом уникальных электрофизических характеристик. Несомненно, однослойные углеродные нанотрубки рассматриваются в качестве перспективного материала твердотельной электроники, микро- и наноэлектроники. Для успешного использования ОСУНТ в серийном производстве необходимы методы, позволяющие оценивать параметры электронного строения нанотрубок в инженерных расчетах.
Наиболее точные методы вычисления электронной структуры нанотрубок, к которым относится, например, метод линеаризованных присоединенных цилиндрических волн, являются сложными для освоения и реализации. Поэтому в инженерных расчетах вероятнее всего они применены не будут. Простое с точки зрения реализации приближение сильной связи в общем случае позволяет моделировать свойства однослойных углеродных нанотрубок, диаметры которых больше 1 нм; результаты же вычислений электронных характеристик ОСУНТ меньших диаметров имеют существенные отличия от экспериментальных данных. Среди всех ОСУНТ наибольший интерес с точки зрения практического применения представляют нанотрубки структурного типа «armchair». Таким образом, для инженерных расчетов, необходимых при проектировании субмикронных гибридных СБИС, в первую очередь востребован простой метод расчета электронной структуры нанотрубок «armchair», диаметр которых меньше 1 нм.
Актуальность темы диссертации определяется потребностью в простом методе вычисления электронного строения ОСУНТ структурного типа «armchair» малых диаметров.
Диссертация выполнена на кафедре физики полупроводников и микроэлектроники ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет».
Цель работы
Целью настоящей работы является установление закономерностей геометрического строения ОСУНТ и электронного строения ОСУНТ структурного типа «armchair» малых диаметров. Для достижения указанной цели были сформулированы следующие задачи:
1. Разработка метода, позволяющего для нанотрубок, соответствующих свернутым фрагментам плоской решетки любой сингонии, получать аналитическое выражение для периода идентичности в зависимости
от индексов хиральности.
-
Разработка для ОСУНТ с металлическим типом проводимости простого метода, в рамках которого возможно вычисление электронного строения нанотрубок структурного типа «armchair» с диаметром меньшим 1 нм.
-
Вычисление баллистического сопротивления ОСУНТ структурного типа «armchair» с диаметром меньшим 1 нм.
Научная новизна работы
-
Предложен метод поиска ближайшего узла, позволяющий для нанотрубок, соответствующих свернутым фрагментам плоской решетки любой сингонии, получать аналитическое выражение для зависимости периода идентичности от индексов хиральности.
-
Получено новое выражение для зависимости периода идентичности ОСУНТ от индексов хиральности, не содержащее условия выбора значений индексов хиральности.
-
Для ОСУНТ структурного типа «armchair» малых диаметров получены аппроксимации зависимостей энергии Ферми и энергетического спектра от длины углерод-углеродной связи графена и индексов хиральности. Точность аппроксимаций достаточна для осуществления инженерных расчетов параметров электронного строения указанных нанотрубок.
-
Установлено, что баллистическое сопротивление нанотрубок структурного типа «armchair» малых диаметров остается постоянным с изменением геометрического строения этих нанотрубок, соответствующим изменению длины углерод-углеродной связи графена от 0,141 нм до 0,143 нм.
Практическая значимость работы
Разработанный метод поиска ближайшего узла, позволяющий устанавливать выражение для периода идентичности в зависимости от индексов хиральности нанотрубки, может быть использован при теоретическом анализе геометрического строения новых нанотрубных форм вещества.
Полученные аппроксимации для энергетического спектра и энергии Ферми ОСУНТ структурного типа «armchair» малых диаметров могут быть использованы в инженерных расчетах параметров гибридных СБИС.
Разработанный метод вычисления электронного строения ОСУНТ с металлической проводимостью может быть применен для теоретического исследования неуглеродных нанотрубок с металлическим типом проводимости.
Результаты диссертации могут быть использованы в преподавании курсов «Наноматериалы» и «Нанотехнология в электронике».
Основные положения и результаты, выносимые на защиту
1. Метод поиска ближайшего узла позволяет установить аналитическую зависимость периода идентичности от индексов хиральности
для нанотрубок, соответствующих свернутым фрагментам плоской решетки любой сингонии.
-
Для ОСУНТ (яг, л) период идентичности равен увеличенному в V3 раз отношению длины вектора сворачивания, соответствующего нанотрубке, к наибольшему общему делителю чисел 2т+п и2п + т.
-
Для инженерных расчетов энергия Ферми ОСУНТ (4,4), (5,5), (6,6) и (7,7) представляется линейной функцией индексов хиральности и длины углерод-углеродной связи графена в интервале изменения длины связи от 0,141 нм до 0,143 нм.
-
Для инженерных расчетов энергия разрешенных одноэлектронных состояний ОСУНТ (4,4), (5,5), (6,6) и (7,7) представляется квадратичной функцией индексов хиральности и длины углерод-углеродной связи графена в интервале изменения длины связи от 0,141 нм до 0,143 нм.
-
При изменении геометрического строения ОСУНТ (4,4), (5,5), (6,6) и (7,7), соответствующем изменению длины углерод-углеродной связи графена от 0,141 нм до 0,143 нм, баллистическое сопротивление этих нанотрубок остается постоянным.
Апробация работы
Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на: XIV международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2008); 15-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика - 2008» (Москва, 2008); XVI международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2010); 17-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика - 2010» (Москва, 2010); IX международном семинаре «Физико-математическое моделирование систем» (Воронеж, 2012); XIX международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2013); 20-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика - 2013» (Москва, 2013).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 15 научных работ, в том числе 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1 - 4, 9, 13, 14] - разработка и реализация на ЭВМ метода вычисления электронного строения ОСУНТ, анализ полученных результатов; [6 - 8, 11] - вывод выражений для структурных параметров нанотрубок; [10] -анализ и обобщение литературных данных об областях применения ОСУНТ.
Личный вклад автора
Основные теоретические результаты получены автором лично или при его непосредственном участии. Автором выполнен анализ и интерпретация полученных результатов. Сформулированы выводы и положения, выносимые на защиту.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 114 наименований. Основная часть работы изложена на 124 страницах, содержит 28 рисунков и 4 таблицы.
