替代原子对低维硅碳材料电子输运性质影响

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1、替代原子对低维硅碳材料电子输运性质影响第一章绪论1.1前言电子科技的发展称得上是二十世纪最伟大的科技进步之一。真空电子管、晶体管相继出现，尤其集成电路和超大规模集成电路的出现，对人类活动产生了巨大的影响。现在微电子器件早已渗透到了社会的各个领域。而电子学的诞生，应该回溯到1904年，伦敦大学弗莱明教授在这一年发明了真空二极管⑴；两年后，真空三级管研制成功，它是在二极管器件的基础上引进了一个金属栅极，通过在该金属栅极上施加小的电压，在阳极上就能获得较大的电流电压，从而获得真空三级管的放大作用，这也是人类首次定量实现了对电

2、子运动的控制[2]。随后，1947年，Bardeen和Brattain发明了点接触晶体管[3];1950年，Shockley等人发明了第一个面结型晶体管，该结构首次利用P-N结的异质结构[4]。鉴于他们对场效应晶体管发展和应用做出的卓越贡献，三人共享了1956年的诺贝尔物理学奖[5]。1958年，美国Kilby将电子器件集成在在一块半导体材料中，揭开了集成电路发展的序幕[6]。Intel公司的创始人之一Moore随后总结提出：集成电路中的晶体管数目，将会每18个月增长一倍。这一定律也在电子产业的发展上得以证明。在这过程

3、中，微米尺寸上的电子输运理论对晶体管集成化发展发挥了非凡的指导作用。随着晶体管集成程度的增加，晶体管的尺寸也从微米尺寸进入到了纳米尺寸，纳电子时代已经到来。而在纳米尺寸上，传统的半导体制造工艺受到极大挑战，量子效应等作用也在纳米尺寸电子器件制造和使用日益重要。传统微电子学已难以适用。因此在纳米尺寸上新的理论的发展和实验数据的支持对电子科学的后续发展尤为重要。..1.2纳米电子器件研究现状长期以来，增加电路集成度最直接最有效的方式是不断缩小内部晶体管的尺寸。现在集成电路中晶体管已经进入到纳米尺寸，短沟道效应和门电极漏电流

4、效应使得晶体管的电学性能降低[9]。在这个背景下，纳米线作为电子器件沟道的材料受到了广泛关注和研究。采用纳米线作为沟道材料，就可以获得小的沟道厚度和宽度，并可以通过采用建立四周围栅门电极的方法来对沟道进行调制这就大大抑制电子器件中的短沟道效应[14];另一方面，它仍具有大规模集成制备的工艺基础。综合以上因素，纳米线材料仍然被视为下一代电子器件中最有潜力的材料之一。目前利用桂晶体制备大规模集成电路采用的是自上而下制备工艺，即通过刻烛的方法来将块体材料按照设计好的阵列进行加工。在工业中标准方法是光刻蚀工艺。在这一个工艺基础

5、下，增加刻蚀集成电路的集成度可以通过减小曝光宽带来实现但在这一方向的研究已经很成熟，提升空间不大；或者可以通过减小刻烛光的波长、提高刻烛的能量来实现，基于此，利用深紫外线光进行刻烛的工艺正在逐步优化,而利用电子束、离子束进行刻烛的新工艺方法也相继提出但是目前来说这些方法仍然不成熟且对制备设备的挑战也越来越高。而和自上而下的:1:艺角度不同，从分子和原子的层面出发，通过自组装等化学方法获得所需耍的纳米电子器件阵列的自下而上的艺方法也有了蓬勃的发展。现在较为常见的自下而上加工艺有外延生长法、气相生长法(如VLS等）和模板生

6、长方法[25_28]。这种工艺方法非常适合四周围栅门电极结构场效应晶体管的制备，实验上现在已经能够以娃材料作为基底来合成纳米线阵列。随着技术的进步，自下而上制备集成电路晶体管的工艺也不断优化和成熟。..第二章计算方法2.1引言传统实验方法在对物体性质进行探索的过程中发挥着不可替代的作用。而随着计算技术的发展，理论模拟计算在科学研究上应用也越来越广泛。在纳米电子器件方向，相关的实验研究对电子器件的制备和相应的电子输运性质测定设备要求非常高；另一方面，随着器件尺寸的缩小，在制备过程中难免会有不可控因素并混入一些杂质，进而难

7、以获得具有普遍意义的基础实验结果。而电子器件的模拟仿真避免了这种情况的发生，通过计算机模拟仿真，我们可以专注于特定理想的结构所具有的电学性质，从而获得具有更普遍意义的结果。随着量子力学计算方法的发展，根据相关的计算机模拟仿真得到的实验结果也越来越准确，很多计算结果相继被证实。电子器件的研究发展到现在，实验和理论模拟计算已经变得相辅相成、不可或缺了。在很多情况下，通过采用理论模拟计算的方法来对相关的实验进行预测和指导，可以进一步的缩短实验对象的范围、明确实验的目标、大大降低实验所需要的成本。同时，基础实验数据支持也是理论

8、模拟计算得以认可的标志和最大推动力。除此之外，在目前实验方法还不能够完成的一些研究方面，基于曾被广泛证实有效的计算方法的理论研究就具有了非常重要的意义。在本章中，我们利用分子动力学及第一性原理优化获得我们的研究对象，在获得稳定结构后，利用非平衡格林函数结合密度泛函或半经验方法对电子器件的电学性质进行自洽计算。在接下来的部分，我们对