АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 2
ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 4
1.1 Межсоединения в современной микро- и наноэлектронике 4
1.2 Транспортные свойства УНТ 9
1.3 УНТ для межкомпонентных соединений на кристалле 12
1.3.1 Легированные УНТ 16
1.3.2 Композитные УНТ 17
1.3.3 УНТ через переходные каналы в кремнии 18
1.4 Методы проектирования СБИС с и УНТ 21
МЕТОДЫ И ИНСТРУМЕНТЫ АТОМИСТИЧЕСКОГО
МОДЕЛИРОВАНИЯ МЕЖСОЕДИНЕНИЙ 24
2.1 Теория функционала плотности 25
2.1.1 Приближение Борна-Оппенгеймера 26
2.1.2 Теория Хоэнберга-Кона 27
2.1.3 Аппроксимация функционала 28
2.1.4 Уравнение Кона-Шэма 29
2.2. Пакет Qantum Espresso: состав и функциональные возможности 31
2.2.1 Состав пакета QE 31
2.2.2 Исходные данные для модуля PWscf 32
2.2.3 Самосогласованное поле (SCF) 34
2.2.4 Несамосогласованное поле (NSCF) 36
2.2.6. Зонная структура 37
ВЛИЯНИЕ ДЕФОРМАЦИИ И ИНТЕРКАЛИРОВАНИЯ НА СВОЙСТВА УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК 39
3.1. Выбор параметров моделей 39
3.2 Параметры расчетной схемы 41
3.3 Зонная структура нанотрубок 44
3.4 Плотность состояний 48
3.5 Растяжение и сжатие нанотрубок (6,0) и (8,0) 50
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 52
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 53
Последние полвека были периодом стремительного развития кремниевой электроники, благодаря которому был достигнут гигантский прогресс в области информационных технологий - вычислительной техники, средств связи, средств управления разнообразными процессами, сенсорике и во многих других областях. Это произошло благодаря тому, что технологии производства элементов электроники на основе кремния оказались масштабируемыми настолько, что их характерный размер (масштаб технологического процесса или, короче, техпроцесс) за эти полвека уменьшился примерно 103 раз, с 5-10 мкм в 70-годы до 5 нм в настоящее время [1], так что число транзисторов на чипе прежнего размера увеличилось примерно в 103x103=106 раз, удваиваясь каждые полтора-два года (закон Мура). Сообщается также, что крупнейший в мире производитель чипов, тайваньская компания TSMC, приступила к освоению техпроцесса 3 нм, а компания Intel заявила о создании техпроцесса 2 нм. На этом пути пришлось преодолевать один барьер за другим все возрастающей высоты, пока в конце не возникла стена в виде законов физики, указывающих, что на масштабах порядка нанометров и меньше элементы электроники являются системами квантовыми, а не классическими, и что близок уже фундаментальный предел (порядка размеров атомов или молекул), за которым дальнейшее масштабирование невозможно.
Вблизи этого предела остается еще много проблем и неизученных способов их решения. К ним относятся поиск промышленно пригодных способов создания базовых элементов электроники нанометрового масштаба (транзисторов) на поверхности подложки, устройства этих элементов, подбора для них материалов и, наконец, подбор материалов и конструктивных параметров проводников (межсоединений), связывающих базовые элементы в единую информационную сеть. В настоящее время последней проблеме уделяется все большее внимание, поскольку от ее решения зависят многие эксплуатационные параметры электронных устройств, такие как надежность, долговечность, быстродействие, уровень тепловыделения и пр. Этими обстоятельствами определяется актуальность представленной работы.
Цель исследования: Методами атомистического моделирования изучить влияние на электронную структуру углеродных нанотрубок их деформации и адсорбции на их поверхности сторонних атомов.
Задачи исследования:
1. Изучить современные подходы к созданию межсоединений в устройствах наноэлектроники и использованию в таком качестве углеродных нанотрубок.
2. Изучить методы компьютерного моделирования межсоединений с акцентом на методы, исходящие из первых принципов.
3. Освоить метод функционала электронной плотности и его реализацию в программном пакете Quantum Espresso.
4. Выполнить компьютерные эксперименты по изучению электронной структуры равновесных и деформированных углеродных нанотрубок типа (n,0) «зигзаг» в диапазоне n 6:10.
5. Выполнить компьютерные эксперименты по изучению электронной структуры упомянутых выше углеродных нанотрубок с адсорбированными во внутренней полости атомами металлов (Li, Al).
6. Проанализировать полученные результаты и сделать выводы.
7. Подготовить и оформить магистерскую диссертацию.
В данной работе с помощью атомистического моделирования методом функционала электронной плотности, реализованного в программном пакете Quantum Espresso, было изучено влияние на зонную структуру и плотность состояний деформации нанотрубок и их интеркаляции атомами металлов, литием и алюминием. С помощью численных экспериментов было показано, что осевое растяжение УНТ на величину порядка 10% приводит к понижению уровня Ферми примерно на 1 эВ без существенных изменений в зонной картине. Напротив, интеркаляция УНТ атомами упомянутых металлов заметно изменяет зонную картину и повышает энергию Ферми на ту же величину порядка 1 эВ вследствие переноса заряда от ин- теркалированного атома на трубку. Полученные данные имеют непосредственное отношение к возможности модификации электронных свойств межсоединений из УНТ, как в отношении их надежности, так и условий переноса заряда.
мов.
