Investigating the feasibility of using P2SiS, As2GeSe and As2GeTe nanotubes in the new generation of transistors
Subject Areas : Applications of Nanostructures
1 - Dez dam and power plant production and operation company, Andimeshk, khozestan, Iran
Keywords: Nanotube, Nanosheet, Transistor, MOSFET.,
Abstract :
This research has been done using the first-to-static method in the framework of the density functional theory and by the Quantum Espresso computing package in the generalized slope approximation. Structural properties such as lattice constant, strain energy and relative energy of formation and electronic properties such as band structure for three stack structures of P2SiS, As2GeSe and As2GeTe nanosheets and nanotubes of these compounds with stack structure (10,10) have been investigated and according to the electrical characteristics The unique nanotube of these compounds in transistors, their electrical properties have been compared with carbon nanotube. Also, for As2GeTe nanotubes, a band structure has been drawn for (4,4), (6,6), (8,8) and (10,10) structures, and then the band structure of P2SiS, As2GeSe and As2GeTe nanosheets with a band structure has been drawn. Graphene has been compared. The obtained results show that the band structure of nanosheets and nanotubes of these compounds gives the band gap. Therefore, all the mentioned compounds are semiconductors. Also, by examining different diameters of As2GeTe composite nanotubes, strip structures very close to each other have been obtained. This confirms the nearly identical band gap for different diameters for As2GeTe nanotubes. Semiconductivity and band gap stability of P2SiS, As2GeSe and As2GeTe nanotubes are two important advantages of using these nanotubes instead of carbon nanotubes in transistors.
[1]properties and applications of carbon nanotube structures. Journal of nanoscience and nanotechnology, 7(4-5), 1239-1267.
[2] Li, Q. W., Li, Y., Zhang, X. F., Chikkannanavar, S. B., Zhao, Y. H., Dangelewicz, A. M., ... & Zhu, Y. T. (2007). Structure‐dependent electrical properties of carbon nanotube fibers. Advanced Materials, 19(20), 3358-3363.
[3] Gupta, N., & Dixit, A. (2021). Carbon Nanotube Field-Effect Transistors (CNFETs): Structure, Fabrication, Modeling, and Performance. In Carbon Nanomaterial Electronics: Devices and Applications (pp. 199-214). Singapore: Springer Singapore.
[4] Zahoor, F., Hanif, M., Bature, U. I., Bodapati, S., Chattopadhyay, A., Hussin, F. A., ... & Bashir, F. (2023). Carbon nanotube field effect transistors: an overview of device structure, modeling, fabrication and applications. Physica Scripta.
[5] Luisier, M., Klinkert, C., Fiore, S., Backman, J., Lee, Y., Stieger, C., & Szabó, Á. (2023). Field-Effect Transistors Based on 2D Materials: A Modeling Perspective. Beyond-CMOS: State of the Art and Trends, 33.
[6] Sachdeva, A., Kumar, D., & Abbasian, E. (2023). A carbon nano-tube field effect transistor based stable, low-power 8T static random access memory cell with improved write access time. AEU-International Journal of Electronics and Communications, 162, 154565.
[7] Shkodra, B., Petrelli, M., Costa Angeli, M. A., Garoli, D., Nakatsuka, N., Lugli, P., & Petti, L. (2021). Electrolyte-gated carbon nanotube field-effect transistor-based biosensors: Principles and applications. Applied Physics Reviews, 8(4).
[8] Wan, H., Zhao, J., Lo, L. W., Cao, Y., Sepúlveda, N., & Wang, C. (2021). Multimodal artificial neurological sensory–memory system based on flexible carbon nanotube synaptic transistor. ACS nano, 15(9), 14587-14597.
[9] Zhu, Y. L., Yuan, J. H., Song, Y. Q., Xue, K. H., Wang, S., Lian, C., .. & Miao, X. S. (2019). Promising photocatalysts with high carrier mobility for water splitting in monolayer Ge2P4S2 and Ge2As4S2. International Journal of Hydrogen Energy, 44(39), 21536-21545.
[10] Behzadi, P., Amiri, P., & Ketabi, S. A. (2021). Electronic and optical properties of two-dimensional As2GeTe and P2SiS monolayers: Density functional study. Chemical Physics, 547, 111215.
[11] Behzadi, P., Ketabi, S. A., & Amiri, P. (2021). First-principles investigation of the electronic and optical properties of As2GeTe nanotubes. Solid State Communications, 336, 114421.
[12]P. Giannozzi, S. Baroni, N.Bonini, M.Cococcioni, R. Car,C. Cavazzoni,.(2009). "QUANTUM ESPRESSO: a modular and open-source software project for quantum simulations of materials".Phys. Condens. Matter 21, 395502.
[13] Behzadi, P., Amiri, P., & Ketabi, S. A. (2021). Electronic and optical properties of two-dimensional As2GeTe and P2SiS monolayers: Density functional study. Chemical Physics, 547, 111215.
[14] Amiri, P., Mokhtaripoor, N., Aliakbari, A., & Salehi, H. (2022). Ab-initio study of structural stability, electronic and optical properties of X2GeSe (X= P and Sb) monolayers. Solid State Communications, 343, 114673.
[15] Ouyang, M., Huang, J. L., Cheung, C. L., & Lieber, C. M. (2001). Energy gaps in" metallic" single-walled carbon nanotubes. Science, 292(5517), 702-705.
بررسی امکان‌سنجی استفاده از نانولوله‌های P2SiS، As2GeSe و As2GeTe در نسل جدید ترانزیستورها
پروین بهزادی1و2*
1شرکت تولید و بهره‌برداری سد و نیروگاه دز، اندیمشک، ایران
2گروه فیزیک، دانشکده علوم پایه، دانشگاه صنعتی جندی شاپور دزفول، ایران
p.behzadi13425@yahoo.com
1- مقدمه
https://doi.org/10.71508/crn.2024.140307081185456 |
۲- روش محاسبه
در این پژوهش، محاسبات با استفاده از روش ابتدا به ساکن در چارچوب نظریه تابعی چگالی توسط بسته محاسباتی کوانتوم اسپرسو در تقریب شیب تعمیم یافته(GGA-PBE) برای مدل‌سازی پتانسیل تبادلی-همبستگی انجام گرفته است[10]. در انجام محاسبات، از شبه پتانسیل‌های ساخته شده به روش نرم پایسته استفاده شده است. در این شبه‌پتانسیل‌ها برای توصیف مناسب الکترون‌های ظرفیت، از اوربیتال‌های 2p4 2s4 برای اتم Ge، 3p4 2s4 برای اتم As، 4p5 2s5 برای اتم Te، 3p3 2s3 برای اتم P، 2p3 2s3 برای اتم Si، 4p3 2s3 برای اتم S و 4p4 2s4 برای اتم Se استفاده شده است. در سه ترکیب P2SiS، As2GeSe وAs2GeTe در حالت نانوورقه و نانولوله، پس از واهلش ساختاری میزان نیروی وارد بر هر اتم کمتر از Ry/au 002/ 0است. همچنین دقت در محاسبه انرژی کل ساختارها برابر با Ry 6- 10 در نظر گرفته شده است[11 و 10].
در نانوورقه‌ها و نانو لوله‌ها برای جلوگیری از برهمکنش با ساختار مجاور یک لایه خلأ 13 آنگسترمی در نظر گرفته شده است. که برای نانوورقه‌ها تعداد نقاط بهینه k برابر 8×8×1 و انرژی قطع Ry 80 و همچنین برای نانولوله‌ها تعداد نقاط بهینه k برابر 8×1×1 و انرژی قطع Ry 70 در محاسبات مورد استفاده قرار گرفت[11 و 10].
3- نتایج و بحث
در این پژوهش عناصر تشکیل دهنده این ترکیبات به گروه های
IV، V و VI جدول تناوبی تعلق دارند و سلول واحد این ترکیبات دارای 8 اتم است که در آن 4 اتم به گروه 5، دو اتم به گروه 4 و 2 اتم به گروه 6 تعلق دارند. برای نانولوله‌های P2SiS، As2GeSe وAs2GeTe پارامترهای شبکه (L)در امتداد محور لوله برای ساختارهای دسته‌مبلی Å 37/7 است. پارامتر شبکه برای نانوورقه As2GeT برابر با Å 34/7 است. در شکل 1 نانوورقه‌های کربنی و As2GeTeو در شکل 2 نانولوله‌های کربنی و As2GeTe نشان داده شده است.
(الف) (پ)
شکل 1. نمایش نانوورقه‌های (الف) As2GeTe و (ب) گرافن در صفحه yz (اتم‌های ساختار گرافن در یک صفحه قرار دارند در حالی که اتم‌های As2GeTe در یک صفحه قرار ندارند) و نمایش نانوورقه‌های (پ) As2GeTeو (ت) گرافن در صفحه xy
(الف) (ب)
شکل 2. نانولوله‌های (الف) کربنی (ب) As2GeTe در نمایی سه بعدی
در جدول 1 قطر داخلی و خارجی نانولوله دسته‌مبلی As2GeTe، گاف نواری، انرژی کرنش و پارامترشبکه نانولوله As2GeTeو نانوورقه‌های P2SiS، As2GeSe و As2GeTeجهت مقایسه آورده شده است.
با توجه به جدول 1 مشاهده می‌شود برای نانولوله های دسته‌مبلی As2GeTe، انرژی کرنش و انرژی تشکیل آنها با افزایش قطر،
جدول1. قطرهای محاسبه شده D (Å)، ثابت‌های شبکه(Å)، L گاف نواری Egap (eV)، انرژی کرنش Estrain (meV/ atom)، انرژی تشکیل Eformation (eV/atom)، تعداد کل اتم‌ها در یک سلول واحد (N) برای سیستم دسته‌مبلی نانولوله As2GeTe و نانوورقه‌های P2SiS، As2GeSe و As2GeTe
NanotubeAs2GeTe | N | قطر(D) | L(Å) | Egap (eV) | Estrain (meV/ atom) | Eformation (meV/ atom) | |
داخلی(Å) | بیرونی(Å) | ||||||
Armchair (4,4) | 32 | 40/ 6 | 18/ 10 | 37/ 7 | 07/ 1 | 8/ 65 | 35 |
Armchair (6,6) | 48 | 00/ 11 | 60/ 14 | 37/ 7 | 03/ 1 | 6/ 23 | 31 |
Armchair (8,8) | 64 | 37/ 14 | 12/ 18 | 37/ 7 | 01/ 1 | 5/ 9 | 30 |
Armchair (10,10) | 80 | 76/ 18 | 44/ 22 | 37/ 7 | 99/ 0 | 08/ 3 | 29 |
As2GeTe monolayer | 8 | - | - | 34/ 7 | 08/ 1 | - | 29 |
As2GeSe monolayer | 8 | - | - | 33/7 | 07/1 | - | 41 |
P2SiS monolayer | 8 | - | - | 68/6 | 6/0 | - | 72 |
کاهش می‌یابد در نتیجه شرایط پایداری این نانولوله، در قطرهای بزرگتر امکان پذیرتر است. برای ارزیابی خصوصیات الکترونی، ساختار نواری برای هر سه تک‌لایه ترکیبات P2SiS، As2GeSe وAs2GeTe و قطرهای مختلف نانولوله As2GeTe در امتداد نقاط پرتقارن در منطقۀ اول بریلئون محاسبه شد. انرژی فرمی بر روی صفر انرژی تنظیم شده است. نتایج ارائه شده تایید می‌کند که تک‌لایه‌ها و نانولوله مورد مطالعه، ترکیبات نیمرسانا هستند .همچنین گاف نواری در این نانولوله‌ها با افزایش قطر آنها تغییر اندکی می‌یابد که در ساختار نواری شکل 3 مشخص است. پژوهش‌های انجام شده نشان می‌دهد که نانولوله کربنی و گرافن خاصیت فلزی دارند[13]. در این مقاله برای گرافن پارامترهای شبکه بهینه شد و پارامتر شبکه Å 45/2 به دست آمده است. در شکل 4 به ازای نقاط پرتقارن KГMK گاف نواری گرافن رسم شده است و همان طوری که مشخص است گرافن هیچ گاف نواری ندارد که این ویژگی نشان دهنده خاصیت فلزی گرافن است.
در شکل 5 نیز ساختار نواری برای نانوورقه‌های P2SiS، As2GeSe و As2GeTeبه ازای نقاط پرتقارن ГMKГ رسم شده است. با توجه به شکل 5 تک‌لایه P2SiS دارای گاف نواری غیرمستقیم حدودeV 62/0 است. در حالی که تک‌لایه‌های As2GeTe و As2GeSe به ترتیب دارای گاف نواری مستقیم
(الف) (ب) ( پ ) (ت)
|
شکل 3. ساختار نواری نانولوله As2GeTe به ازای قطرهای مختلف (الف) دسته مبلی (8،8) (ب) دسته مبلی (10،10)، (پ) دسته مبلی (4،4) و (ت) دسته مبلی (6،6)
شکل 4. ساختار نواری گرافن
(الف) (ب) (پ)
|
شکل 5. ساختار نواری نانوورقه‌های (الف) As2GeSe، (ب) P2SiS و (پ) As2GeTe
(الف) (ب) (پ) |
شکل 6. ساختار نواری نانولوله‌های دسته‌مبلی (10،10) برای (الف) As2GeSe، (ب) As2GeTe و (پ)P2SiS
در حدودeV 08/1 وeV 07/1 در نقطه Гمی‌باشند. بنابراین وجود گاف نواری با اندازه‌های ذکر شده نشان دهنده خاصیت نیمرسانایی این سه نانوورقه است.
در شکل 6 نیز ساختار نواری نانولوله‌های دسته‌مبلی (10،10) برای سه ساختار P2SiS، As2GeSe و As2GeTeدر راستای ГZ رسم شده است. وجود گاف نواری در هر سه نانولوله دسته‌مبلی نشان دهنده این است که این سه نانولوله نیز نیمرسانا می‌باشند که آنها را به گزینه مناسبی برای کاربرد در ترانزیستورهایی که مبتنی بر ساختار نانولوله های مواد مختلف هستند، تبدیل می‌سازد.
4- نتيجه گيری
محاسبات این مقاله بر اساس نظریه تابعی چگالی و با استفاده از پایه‌های موج تخت توسط نرم‌افـزار کوانتوم اسپرسو انـجام گـرفته است. در این پژوهش از بررسی ساختار نواری نانولوله As2GeTe به ازای ساختارهای دسته‌مبلی (4،4)، (6،6)، (8،8) و (10،10) و ساختار نواری نانولوله‌های دسته‌مبلی (10،10) برای ساختارهای P2SiS، As2GeSe و As2GeTeو همچنین ساختار نواری نانوورقه‌های P2SiS، As2GeSe وAs2GeTe و مقایسه آن با ساختار نواری گرافن نتایج زیر به دست آمده است:
1- همه ترکیبات نانولوله دسته‌مبلی و نانوورقه P2SiS، As2GeSe وAs2GeTe، نیمرسانا می‌باشند. در حالی که نانولوله کربنی و گرافن به دلیل نداشتن گاف نواری خاصیت فلزی از خود نشان می‌دهند.
2- از بررسی قطرهای مختلف نانولوله‌های دسته‌مبلی ترکیب As2GeTe، ساختارهای نواری بسیار نزدیک به یکدیگر به دست آمده است که این مؤید گاف نواری تقریباً یکسانی به ازای قطرهای مختلف برای نانولوله As2GeTe است.
3- استفاده از نانولوله‌های کربنی در ترانزیستورها دارای دو مشکل عمده است: اول اینکه وجود خاصیت فلزی در این نانولوله‌ها منجر به اتصال کوتاه در ترانزیستورها می‌گردد و دوم اینکه در فرایند ساخت نانولوله‌های کربنی، قطر نانولوله‌های کربنی تغییر کرده، در نتیجه گاف انرژی تغییر می‌کند. بنابراین تغییر گاف منجر به تغییر جریان عبوری از ترانزیستور می‌گردد[14و13]. برای رفع این مشکلات از نانولوله‌های P2SiS، As2GeSe وAs2GeTe در ترانزیستورها استفاده شده است که در این ترانزیستورها دو عامل نیمرسانایی و ثابت ماندن گاف نواری به ازای قطرهای مختلف، دو مزیت مهم استفاده از این نانولوله‌ها به جای نانولوله‌های کربنی در ترانزیستورها است. بنابراین پیشنهاد می‌شود که از این نانولوله‌های ذکر شده در ترانزیستورها استفاده گردد.
منابع
1. P. R. Bandaru, J. Nanosci. Nanotechnol., 7, 1239 (2007).
2. Q. W. Li, Y. Li, X. F. Zhang, S. B. Chikkannanavar, Y. H. Zhao, A. M. Dangelewicz, ... & Y. T. Zhu, Adv. Mater., 19, 3358(2007).
3. N. Gupta, A. Dixit, Carbon Nanotube Field-Effect Transistors (CNFETs): Structure, Fabrication, Modeling, and Performance. In Carbon Nanomaterial Electronics: Devices and Applications. (Singapore: Springer Singapore, 2021) pp. 199.
4. F. Zahoor, M. Hanif, U. I. Bature, S. Bodapati, A. Chattopadhyay, F. A. Hussin, ... F. Bashir, Phys. Scr. (2023).
5. M. Luisier, C. Klinkert, S. Fiore, J. Backman, Y. Lee, C. Stieger, Á. Szabó, Field-Effect Transistors Based on 2D Materials: A Modeling Perspective. Beyond-CMOS: State of the Art and Trends, (2023)33.
6. A. Sachdeva, D. Kumar, E. Abbasian, AEU-Int. J. Electron. C, 162, 154565(2023).
7. B. Shkodra, M. Petrelli, M. A. Costa Angeli, D. Garoli, N. Nakatsuka, P. Lugli, L. Petti, Appl. Phys. Rev., 8(4) (2021).
8. H. Wan, J. Zhao, L. W. Lo, Y. Cao, N. Sepúlveda, C. Wang, ACS Nano, 15(9), 14587 (2021).
9. Y. L. Zhu, J. H. Yuan, Y. Q. Song, K. H. Xue, S. Wang, C. Lian, ... X. S. Miao, Int. J. Hydrogen Energy., 44(39), 21536(2019).
10. P. Behzadi, P. Amiri, S. A. Ketabi, Chem. Phys., 547, 111215(2021).
11. P. Behzadi, S. A. Ketabi, P. Amiri, Solid State Commun., 336, 114421(2021).
12. P. Giannozzi, S. Baroni, N. Bonini, M. Calandra, R. Car, C. Cavazzoni, ... R. M. Wentzcovitch, J. Phys. Condens. Matter, 21(39), 395502(2009).
13. P. Amiri, N. Mokhtaripoor, A. Aliakbari, H. Salehi, Solid State Commun., 343, 114673(2022).
14. M. Ouyang, J. L. Huang, C. L. Cheung,, C. M. Lieber, Science, 292, 702 (2001).
[1] Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor
Investigating the feasibility of using P2SiS, As2GeSe and As2GeTe nanotubes in the new generation of transistors
Parvin Behzadi1,2 *
1Dez dam and power plant production and operation company, Andimeshk, khozestan, Iran
Abstract: This research has been done using the first-to-static method in the framework of the density functional theory and by the Quantum Espresso computing package in the generalized slope approximation. Structural properties such as lattice constant, strain energy and relative energy of formation and electronic properties such as band structure for three stack structures of P2SiS, As2GeSe and As2GeTe nanosheets and nanotubes of these compounds with stack structure (10,10) have been investigated and according to the electrical characteristics The unique nanotube of these compounds in transistors, their electrical properties have been compared with carbon nanotube. Also, for As2GeTe nanotubes, a band structure has been drawn for (4,4), (6,6), (8,8) and (10,10) structures, and then the band structure of P2SiS, As2GeSe and As2GeTe nanosheets with a band structure has been drawn. Graphene has been compared. The obtained results show that the band structure of nanosheets and nanotubes of these compounds gives the band gap. Therefore, all the mentioned compounds are semiconductors. Also, by examining different diameters of As2GeTe composite nanotubes, strip structures very close to each other have been obtained. This confirms the nearly identical band gap for different diameters for As2GeTe nanotubes. Semiconductivity and band gap stability of P2SiS, As2GeSe and As2GeTe nanotubes are two important advantages of using these nanotubes instead of carbon nanotubes in transistors. |
Keywords: Nanotube, Nanosheet, Transistor, MOSFET.
https://doi.org/10.71508/crn.2024.140307081185456 |