Тема: Вольт-амперная характеристика углеродной нанотрубки (6,6): неэмпирическое моделирование

Углеродные нанотрубки, открытые Иджимой [1] в 1991 году, на протяжении практически 30 лет активно исследуются, не теряя своей актуальности. Это удивительный материал, свойства которого зависят от его атомной конфигурации. Наномасштабные размеры (диаметр варьируется от 0,14 до ~10 нм, в длину от нескольких А до метров) и квантовые свойства располагают УНТ для использования в различных устройствах наноэлектроники. Конечно, существует такое мнение в научных кругах, что данная область за 30 лет почти никуда не продвинулась, в виду отсутствия каких-либо групповых технологий производства таких приборов, однако, буквально месяц назад, в июне 2020 года вышла работа [2], предлагающая способ массового изготовления приборов на углеродных нанотрубках, используя технологии, уже имеющиеся на заводах, занимающихся производством полупроводниковых приборов.
Для использования нанотрубки в каком-либо приборе, её необходимо привести в контакт с каким - либо проводящим материалом, вопрос только в том, какие материалы подходят и какова конфигурация такого контакта? Конечно, накопленные за 30 лет результаты исследований частично дают ответы, но полного понимания пока не достигнуто. Поиск ещё осложняется самим уникальным свойством углеродных нанотрубок, ведь в зависимости от атомной конфигурации, УНТ может проявлять как металлические, так и полупроводниковые свойства. В свою очередь, полупроводниковые УНТ тоже различные, их ширина запрещённой зоны варьируется от нескольких мэВ до единиц эВ. Требуется проводить исследования для каждого конкретного случая, поэтому данное направление - исследование контактных явлений на границе УНТ - электрод до сих пор остаётся актуальным.
Цель работы: изучить контактные явления ОУНТ с аналогичной ОУНТ, обусловленные различными атомными конфигурациями интерфейса (место контакта) при концевом типе контакта.
Для достижения данной цели были поставлены задачи:
1) Провести аналитический обзор литературных источников по контактным явлениям углеродных нанотрубок;
2) Освоить программное обеспечение, позволяющее создавать модели контактов углеродных нанотрубок;
3) Провести моделирование электродной системы, состоящей из ОУНТ (6,6), с различными конфигурациями интерфейса.


Купить

В результате аналитического обзора установлено присутствие пробелов в понимании формирования барьера Шоттки на контакте УНТ с металлами. По имеющимся данным можно заключить, что наиболее приемлемым металлом для кресловидных ОУНТ является титан, для зигзагообразных ОУНТ с широкой запрещённой зоной - палладий. Накопленный объём экспериментальных данных уже позволяет создавать сложные устройства электроники, такие как микропроцессоры, на основе углеродных нанотрубок.
В рамках работы освоены следующие программы. GUI4dft [30] является отличным инструментом для получения начальных атомных структур ОУНТ и их изображений. В NanoView [31] имеется возможность конфигурации электродной системы. sisl [36] использовался для конфигурации моделей в пространстве. С помощью пакета SIESTA [28] производилась оптимизация атомных структур ОУНТ (6,6), расчет электродных систем методом TranSIESTA [27]. Для расчета тока из гамильтониана электродной системы использовался tbtrans [34].
Проводимость ОУНТ (6,6) во всех восьми электродных системах укладывается в погрешность менее 1%, однако наиболее устойчивыми являются системы 72-72, GGA и 72-96 LDA и GGA при выбранных параметрах моделирования. Приближение обобщенных градиентов показало более точный результат. Большее количество атомов в модели электрода положительно влияет на результаты расчётов (более высокая точность), а в модели исследуемой трубки - ситуация обратная. Действительно, атомная конфигурация интерфейса влияет на проводимость ОУНТ(6,6), для случая, когда электрод повёрнут относительно нанотрубки на 15°, установлено падение проводимости нанотрубки в два раза.

Купить