[논문 리뷰] Towards Multi-Scale Modeling of Carbon Nanotube Transistors

Jing Guo, Supriyo Datta외 2명|arXiv (Cornell University)|2003. 12. 20.

Carbon Nanotubes in Composites참고 문헌 28인용 수 38

한 줄 요약

이 논문은 탄소 나노튜브 필드효과 트anz스터(CNTFET)를 위한 다중 척도 시뮬레이션 프레임워크를 제시한다. 비평형 그린 함수(NEGF) 형식과 원자 구조 및 모드 공간 접근 방식을 융합하여 비열역학적 양자 운반을 모델링한다. 이는 CNTFET 내에서의 양자 효과를 정확하게 시뮬레이션하며, 장치 수준의 시뮬레이션을 아보 이노, 연속체 및 회로 수준의 모델과 통합하는 길을 제시한다.

ABSTRACT

Multiscale simulation approaches are needed in order to address scientific and technological questions in the rapidly developing field of carbon nanotube electronics. In this paper, we describe an effort underway to develop a comprehensive capability for multiscale simulation of carbon nanotube electronics. We focus in this paper on one element of that hierarchy, the simulation of ballistic CNTFETs by self-consistently solving the Poisson and Schrodinger equations using the non-equilibrium Greens function (NEGF) formalism. The NEGF transport equation is solved at two levels: i) a semi-empirical atomistic level using the pz orbitals of carbon atoms as the basis, and ii) an atomistic mode space approach, which only treats a few subbands in the tube-circumferential direction while retaining an atomistic grid along the carrier transport direction. Simulation examples show that these approaches describe quantum transport effects in nanotube transistors. The paper concludes with a brief discussion of how these semi-empirical device level simulations can be connected to ab initio, continuum, and circuit level simulations in the multi-scale hierarchy.

연구 동기 및 목표

• 나노튜브 기반 장치의 급속한 발전으로 인해 탄소 나노튜브 전자공학에서 다중 척도 시뮬레이션의 필요성이 증가하고 있음을 다루기 위해.
• 단일 척도 모델의 한계를 극복하기 위해 원자 구조 양자 운반을 고수준의 장치 및 회로 모델과 통합하기 위해.
• 포아송 및 슈뢰딩거 방정식을 사용하여 비열역학적 CNTFET를 위한 자가 일관된 시뮬레이션 프레임워크를 개발하기 위해.
• 확장 가능한 계산적 접근 방식을 사용하여 탄소 나노튜브 내에서의 양자 운반 효과를 정확하게 모델링하기 위해.
• 원자 구조, 연속체 및 회로 수준의 시뮬레이션을 연결하는 계층적 모델링 파이프라인을 구축하기 위해.

제안 방법

• CNTFET 내에서의 양자 운반 문제를 해결하기 위해 비평형 그린 함수(NEGF) 형식을 적용하기 위해.
• 반경사적 원자 구조 시뮬레이션의 기저로 탄소 원자의 pz 오비탈을 사용하기 위해.
• 운반 방향에서 원자 해상도를 유지하면서 원형 방향에선 몇몇 하위밴드만 다루는 원자 구조 모드 공간 접근 방식을 구현하기 위해.
• 전기적 성질과 전자 운반을 모델링하기 위해 포아송 및 슈뢰딩거 방정식을 자가 일관적으로 해결하기 위해.
• 원자 구조 장치 시뮬레이션을 아보 이노, 연속체 및 회로 수준의 모델과 연결하여 다중 척도 계층을 구성하기 위해.
• 계산 효율성을 높이기 위해 두 수준의 NEGF 형식을 활용하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 다중 척도 프레임워크를 사용하여 탄소 나노튜브 트anz스터 내의 비열역학적 양자 운반을 정확하게 모델링할 수 있는가?
• RQ2 자기 일관된 NEGF 시뮬레이션을 사용할 때 CNTFET에서 관찰 가능한 주요 양자 운반 효과는 무엇인가?
• RQ3 원자 구조 시뮬레이션은 정확도를 희생시키지 않으면서 어떻게 효율적으로 확장하여 실제 장치 행동을 모델링할 수 있는가?
• RQ4 원형 하위밴드 구조는 CNTFET의 운반 특성을 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 어떻게 장치 수준의 시뮬레이션을 아보 이노, 연속체 및 회로 수준의 모델과 체계적으로 연결하여 일관된 다중 척도 계층을 만들 수 있는가?

주요 결과

• 반경사적 원자 구조 NEGF 접근 방식은 현실적인 장치 파rameter를 사용하여 CNTFET 내에서의 양자 운반 효과를 성공적으로 포착한다.
• 모드 공간 접근 방식은 복잡성을 줄이면서도 핵심 물리 현상을 유지하는 계산적으로 효율적인 대안을 제공한다.
• 포아송 및 슈뢰딩거 방정식의 자기 일관된 해법은 나노튜브 채널 내 전기적 잠재력과 전자 분포를 정확하게 모델링할 수 있게 한다.
• 시뮬레이션 결과는 이론적 기대와 일치하는 명확한 비열역학적 운반 특성과 양자화된 도전도를 보여준다.
• 이 프레임워크는 원자 구조 장치 시뮬레이션을 아보 이노 및 회로 수준의 시뮬레이션과 통합하는 확장 가능한 길을 제공한다.
• 제안된 다중 척도 계층은 다양한 길이 척도와 시간 척도에서 장치 행동을 시스템적으로 조사할 수 있도록 한다.