Modelagem de nanoestruturas finitas e dispositivos a base de grafeno utilizando Funções de Green de não-equilíbrio

Abstract

Resumo: É de consenso científico que parâm etros experimentais usados na produção do grafeno como, tamanho da amostra, características da borda, substrato no qual o grafeno é depositado e impurezas, produzem uma larga variedade de propriedades eletrônicas que podem afetar o transporte de novos dispositivos fabricados com este material. O controle destes parâmetros em amostras pequenas caracterizam a maior dificuldade de sua aplicação na indústria de semicondutores, pois suas ocorrências têm um certo grau de imprevisibilidade que afetam igualmente as propriedades eletrônicas das amostras produzidas. A redução da imprevisibilidade destas ocorrências denota uma grande vantagem, principalmente em obter quaisquer curvas de corrente e tensão I — V em dispositivos feitos de grafeno. Nesta tese, o principal objetivo é estudar teoricamente como estes parâmetros afetam as propriedades do transporte eletrônico em amostras de grafeno sujeito à condições de contorno proveniente de contatos metálicos. A transmissão eletrônica em função da energia, e a corrente eletrônica I — V são obtidas usando o formalismo de não equilíbrio de Green considerando vários cenários, onde primeiro é analisado o transporte num transistor de efeito de campo sujeito a tensão mecânica, e em ordem de contribuir com o desenvolvimento de modelos numéricos mais velozes, que auxiliam o design de circuitos integrados. Os resultados serão comparados com um modelo compacto elaborado pelo laboratório de nanoeletrônica (L2e) da Universidade Pierre et Marie Curie. Em um segundo cenário será estudado o transporte em uma estrutura de grafeno sujeita a uma constricão gradual, onde os parâmetros a serem variados são a largura da constrição do canal e o ângulo de corte formado com o eixo y da borda do grafeno. Como será mostrado, a transmissão eletrônica através do canal é consideravelmente afetada por estes parâmetros, o que permite vislumbrar a possibilidade da construção de dispositivos reais.

Abstract: Nowadays, it is known that experimental techniques used in graphene production such as, sample size, border features, the substrate at which it is deposited and impurities produce a large variety of electronic properties of graphene, being at the same time a major drawback for its practical use in the semiconductor industry. Controling these feaures in small samples is a huge challenge because their occurrences have many degrees of unpredictability that equally affect the electronic properties. The reduction of this unpredictability can be seen as a great advantage, mainly due to the possibility of obtaining any desired I — V characteristics in graphene-based devices. In this thesis, the main goal is to study how these parameters affect the electronic transport properties of finite graphene samples when subject to boundary conditions from metallic electrodes. The electron transmission through a constricted channel as a function of energy and the I — V characteristics of a graphene sample are obtained by using non-equilibrium Green’s functions techniques in various scenarios, where the first one is the transport analysis of a field effect transistor subject to a mechanical stress, and in order to contribute to the development of faster numerical models, that help the design of integrated circuits, the results will be compared to a compact model developed in the nanoelectronic laboratory of Pierre and Marie Curie university. The second topic will be a study of a gradually constricted graphene, where the parameters to be varied are the constriction width and the border cutting angle of the graphene channel. As will be shown later, the transmission through the channel is considerably affected by these parameters, allowing to glimpse to a possibility of contructing a real device.