[论文解读] Towards Multi-Scale Modeling of Carbon Nanotube Transistors

Jing Guo, Supriyo Datta+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2003

Carbon Nanotubes in Composites参考文献 28被引用 38

一句话总结

本文提出了一种用于碳纳米管场效应晶体管（CNTFET）的多尺度仿真框架，结合非平衡格林函数（NEGF）形式与原子尺度及模式空间方法，以模拟弹道量子输运。该研究展示了对 CNTFET 中量子效应的精确仿真，并提出了一条将器件级仿真与从头计算、连续介质及电路级模型相集成的路径。

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.

研究动机与目标

• 应对碳纳米管电子器件快速发展的背景下，对多尺度仿真日益增长的需求。
• 通过整合原子尺度量子输运与更高层级的器件和电路模型，克服单一尺度模型的局限性。
• 利用泊松方程和薛定谔方程，开发一种用于弹道 CNTFET 的自洽仿真框架。
• 通过可扩展的计算方法，实现对碳纳米管中量子输运效应的精确建模。
• 建立一个分层的建模流程，连接原子尺度、连续介质和电路级仿真，用于 CNTFET。

提出的方法

• 应用非平衡格林函数（NEGF）形式，求解 CNTFET 中的量子输运问题。
• 以碳原子的 pz 轨道作为半经验原子尺度仿真的基组。
• 实施一种原子尺度模式空间方法，仅在周向方向处理少数子带，同时在输运方向保持原子分辨率。
• 自洽求解泊松方程和薛定谔方程，以模拟静电势和电子输运。
• 通过将原子尺度器件仿真与从头计算、连续介质和电路级模型相连接，构建多尺度层次结构。
• 在两个层次上应用 NEGF 形式：一个详细的原子尺度模型和一个用于计算效率的简化模式空间模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用多尺度框架精确模拟碳纳米管晶体管中的弹道量子输运？
• RQ2 在自洽 NEGF 仿真中，CNTFET 中可观测到的关键量子输运效应有哪些？
• RQ3 如何高效地扩展原子尺度仿真，以在不牺牲精度的前提下模拟真实器件行为？
• RQ4 周向子带结构在决定 CNTFET 输运特性中起什么作用？
• RQ5 如何系统地将器件级仿真连接到从头计算、连续介质和电路级模型，形成一致的多尺度层次结构？

主要发现

• 半经验原子尺度 NEGF 方法成功捕捉了 CNTFET 中具有真实器件参数的量子输运效应。
• 模式空间方法提供了一种计算高效的替代方案，在降低复杂度的同时保留了关键物理特性。
• 泊松方程和薛定谔方程的自洽求解，实现了对纳米管沟道中静电势和电子分布的精确建模。
• 仿真结果清晰展示了 CNTFET 中的弹道输运特性和量子化电导，与理论预期一致。
• 该框架为将原子尺度器件仿真与更高层级模型（如从头计算和电路级仿真）集成提供了可扩展的路径。
• 所提出的多尺度层次结构使得在多个长度和时间尺度上系统研究器件行为成为可能。