基于格林函数的纳米器件模型分析

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纳米分子器件的递归格林函数方法的研究

纳米分子器件的递归格林函数方法的研究
一,
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对于纳 米 分子器 件 , 目前 已经有 了各 种 各 样 的 数 值
方 法研 究传 输 系数 T 包 括 模 匹配 方 法 _ , 法 ¨
和实空 间格林 函数方 法 ¨ 。 目前 纳 米
器件 和人 工 微 结 构 制 作 工 艺 进 入 了纳 米 量 级 和 量
纳米 器件 , 可 以很 方 便 地 推 广 到 多 电极 器 件 , 但 同
时可 以利 用 获 得 的平 衡 态 的格 林 函 数 来 构 造 非 平 衡 态 的格林 函数 , 而 研 究 各种 处 于非 线 性 和非 平 进
维普资讯
第 8卷
第 l 3期
20 0 8年 7月







Vo . N . 3 18 o 1
J l 2 0 uy 08
17 —8 9 2 0 ) 33 9 —3 6 11 1 (0 8 1-5 30
Sce c c oo y a d Engn e i g in e Te hn lg n i e rn
格 林 函数 , 最终可 以得 到整个体 系 的格林 函数 。 对 于如 图 2所 示 的有 限尺 度 的格 子链 体 系 , 图
1 所示 的 A段 的格林 函数就退 化 为一个格 点 的格林


函数 , 可 以 南格林 函数 的定义得 到 其值
1 1
G ( ) 中 T =T + 5式 。+ +… +

2 0 Si eh E gg 0 8 c.T c. nn .

下一代3D纳米器件仿真计算软件NEXTNANO应用及解决方案

下一代3D纳米器件仿真计算软件NEXTNANO应用及解决方案

NEXTNANO——下一代3D纳米器件仿真计算软件应用及方案一、NEXTNANO简介Nextnano GmbH是从属全球著名的半导体研究所——德国慕尼黑工业大学瓦尔特朔特基研究所(Walter Schottky Institute)。

NEXTNANO是德国NEXTNANO GmbH公司多年致力于研发电子及光电子半导体纳米器件以及材料的解决方案而形成的结晶,其用户遍布电子及光电领域领先的半导体公司以及学术研究机构。

应用范围包括量子阱,量子线,量子点,纳米线,纳米微晶体,量子级联激光器(QCL),共振隧穿二极管(RTD),高电子迁移率晶体管(HEMT),Nano-MOSFETs,LEDs,激光器(e.g.VCSEL),高效太阳能板,有机半导体,离子敏场效应管(ISFET)以及石墨烯,应变硅,低含氮化合物等新型材料。

其独特亮点在于其能够对任意的几何形状以及材料组成运用相对而言更好的物理学方法进行量子力学的计算,即NEXTNANO并不局限于特定的器件类型,而是一款适用于现有以及新型器件的理想产品,譬如生物芯片传感器。

NEXTNANO能更好地理解器件的物理性质、对器件进行系统地完善、减少重新设计理想器件的时间,以更好的功能为各类用户提供更优的解决方案,其技术应用及服务由积社科技(JService Tech)实施。

二、NEXTNANO功能介绍NEXTNANO是基于量子力学方法(Schrodinger方程,Poisson方程,连续电流方程),通过自恰计算研究纳米半导体器件(IV主族材料Si,Ge,SiGe;所有的III-V主族材料)的电子和光学特性。

软件可以模拟量子阱,量子线,量子点,2DEG,QCLs、RTDs、MOSFETs、HEMTs等等。

能够计算的材料特性有:能带结构,张力,压电和热电电荷,电子密度和空穴密度,静电势,电流,波函。

软件包含NEXTNANO.MAT、NEXTNANO3/NEXTNANO++、NEXTNANO.QCL、NEXTNANO.MSB。

综合实验二-纳米器件透射谱和电导测量湘潭大学期末复习

综合实验二-纳米器件透射谱和电导测量湘潭大学期末复习

6)反常热导
传统宏观材料热输运特性遵守傅里叶定律。
J T
单位时间内通过单位面积的热量,正比于垂 直于该截面方向上的温度梯度以及其截面面 积,而热量传递的方向与温度梯度上升的方 向正好相反。
在碳纳米管、氮化硼纳米 管等微纳结构中,热导率 取决于体系的尺寸大小, 而不再像三维宏观块体材 料一样是一个恒定值(称 这种现象为反常热导)
C. W. Chang, D. Okawa, H. Garcia, A. Majumdar, and A. Zettl. Breakdown of Fourier’s law in nanotube thermal conductors. Phys. Rev. Lett., 101, 075903 (2008).
在这种情况下一旦某个电子隧穿进入了库仑岛,它将阻止随后的第二 个电子再进入同一库仑岛,这就是库仑阻塞现象。只有等待某个电子 离开库仑岛以后,岛外的另一个电子才有可能再进入。利用库仑阻塞 效应就有可能使电子逐个穿隧进出库仑岛,实现单电子隧穿过程。
3)普适电导涨落:在电导与电压关系测量中,发现小的金属样品, 在低温下电导作为磁场的函数呈现非周期的涨落。
2)库仑堵塞现象:如果两个纳米微粒的尺寸小到一定程度, 它们之间的电容也会小到一定程度,以至于电子不能集体传输 ,只能一个一个单电子传输,这种不能集体传输电子的行为称 之为库仑堵塞。
• 即当中心颗粒(也称量子点或库仑岛)的尺寸足够小时,它与 周围外界之间的电容可小到10-16F的数量级,在这种条件下每 当单个电子从外面穿隧进入库仑岛,它给库仑岛附加的充电能 Ec = e2/2C
,而且还保持信号相位,所以具有相干性。如:A-B效应;量子霍
尔效应等。
A-B效应
磁场B垂直向上,由于金属屏蔽层包绕着螺线管,磁场不能进入 金属环,进而无法影响里面电子的状态。然而,电子依然“感 受”矢势。通过调节螺线管的电流而改变矢势的强度,AB环的 电导会呈现周期性变化。

纳米材料的模拟与计算方法介绍

纳米材料的模拟与计算方法介绍

纳米材料的模拟与计算方法介绍导言在纳米科技的快速发展下,纳米材料成为了当前科学研究领域的一个热门话题。

然而,由于其微观结构的特殊性,研究和理解纳米材料的性质和行为是一项极具挑战性的任务。

为了更好地理解纳米材料,科学家们使用了许多不同的方法,其中模拟与计算方法起到了重要作用。

本文将介绍纳米材料模拟与计算方法的相关内容,希望能为读者提供一些基础的知识。

一、分子动力学模拟分子动力学模拟是研究纳米材料中原子和分子运动的一种常用方法。

通过对粒子之间相互作用势能和动力学方程的数值求解,可以得到纳米材料中原子和分子的运动轨迹和相关性质。

分子动力学模拟广泛应用于研究纳米材料的力学性质、热学性质、电学性质和输运性质等方面。

二、密度泛函理论密度泛函理论是一种用于计算材料性质的强大方法,尤其适用于纳米材料的研究。

该理论通过求解电子的波函数和电荷密度,可以得到纳米材料的能带结构、电子结构和电荷分布等重要信息。

密度泛函理论已经在纳米材料的构造优化、电荷转移、光学性质等方面取得了许多重要成果。

三、格林函数方法格林函数方法是处理纳米材料中电子传输问题的一种强大工具。

通过求解电子传输方程,可以得到纳米材料中电子在能带中的行为以及电导率等重要性质。

此外,格林函数方法还可用于研究纳米材料中的谷极化、量子霍尔效应和自旋输运等现象。

四、量子力学计算方法对于纳米材料中的原子和分子级别的问题,量子力学计算方法是非常重要的。

量子力学计算方法可以通过解质点的薛定谔方程来研究纳米材料中微观粒子的行为。

其中,常用的方法包括密度泛函理论、哈特里-福克近似、量子化学方法等。

这些方法可以用于研究纳米材料的电子结构、化学反应和光学性质等。

五、多尺度模拟方法纳米材料的尺度范围很广,从纳米级到宏观级都涵盖其中。

为了研究纳米材料在不同尺度下的行为,多尺度模拟方法应运而生。

多尺度模拟方法可以将不同尺度下的模型和方法相互关联,使得研究者可以在不同尺度下进行模拟和计算。

纳米双栅MOSFETs的量子格林函数模拟

纳米双栅MOSFETs的量子格林函数模拟

摘 要 : 用一 种 量 子 动 力 学模 型研 究 纳 米 MO F T( 效 应 管 )电流 特 性. 模 型 基 于 二 维 采 SE 场 该 N G 非平 衡格 林 函数 ) E F( 方程 和 P io os n方程 自洽全 量 子 数值 解. 用该 方 法研 究 了纳 米双 栅 s 使
关键词 :非平衡 格林 函数 ;双栅 MO ;量 子模 型 S 中图分 类号 : P T4 文献标 识码 : A 文章 编号 :10 00 (0 6 0 -970 0 1— 55 2 0 )60 1-3
Qu nu mo eigfrn n saed u l g t a tm d l o a oc l o be aeMOS E s n F T
b s d o e n’ u ci n a e ni。 S n J a pi g u in n GU Ni g n
( teKe aoaoyo ieet nc , i guL b rtr rBo t i sadDei s o tes Unvrt Naj g2 0 9 ,C ia Sa yL brtr f o l r is J n s a oao f ima r n vc ,S u at iesy, ni 10 6 hn ) t B co a y o ea l e h i n ( e at n f l tcl n ier gadCo ue cec ,T eU ie i fMihg ,A nA b r US D p r me t e r a E gnei mptr i e h nvr t o c ia o E ci n n S n sy n n ro , A) ( ol eo poEet ncE gne n ,N j gU iesyo ot adT l o C lg fO t. l r i n ier g a i nvr t fP s e mmu i t n , nj g20 0 C ia e c o i n n i sn c e nc i s Na i 10 3, hn ) ao n

纳米MOS器件的设计模型

纳米MOS器件的设计模型

律” 按 比例缩小定理” 每 2 和“ : ~3年集成度提高两 倍, 器件 特征 尺寸 按 比例缩 小 , 工艺 技 术 更 新 一 代 。
随着制造 技术 水 平进 入 0 1m( 米 量级 )标 志人 ./ 纳 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ , 类 加工 能力进 入空 前 的高度 。此 时 , 半导 体材料 、 在
0 引言
随着微 电子技术 的发展 , 集成电路 中单元器件
尺 寸不 断缩小 , 其发 展过 程一 直遵 循著 名 的“ 摩尔 定
小 的限制 性 因素 。对纳 米 MOS器 件 面 临 的一 系列 理论 设计 问题 , 导 体器 件 的传 统 方程 已不 能 准确 半
反 映器件 中载流 子输 运 特 征 , 文将 简 要 介 绍 纳米 本 MOS器件 的量 子模 型 , 以及笔 者在 这方 面 的工作 。
有关 并且 不可 逆 , 有关 能 量 耗 散 是 多粒 子 相 互作 用
关 键 词 : 米 M ( ;量 子 模 型 ; 林 函 数 纳 ) s 格 中图 分 类 号 : N4 T 0 文献标识码 : A 文章 编 号 :0 8 6 6 2 0 ) 5 0 5 一O lO —0 8 (0 6 O — O 7 4
Qu n u Mo eigo a oc l MOSDeie a tm d l fN n sae n vcs
to in,n n e u l ru Gr e ’ u c in n h c r d n e q a in o — q ib i m e n Sf n t sa d t eS h ? ig re u to . i o
Ke wo d : a o c l OS; u n u M o e i g g e n’ u c i n y r s n n s aeM q a t m d l ; r e S f n to n

纳米电子器件的计算机辅助设计心得

纳米电子器件的计算机辅助设计心得

纳米电子器件的计算机辅助设计心得13级电子科学与技术 2013040151044 邹丽燕9月28日在科技楼b410教室有幸听到了王豪博士的关于“纳米电子器件的计算机辅助设计(TCAD)”的精彩讲座,不但让我从中认识到了基础课程的重要性,也让我感受到了王博士从容不迫的教学风格和驾驭课堂的能力,博士将严谨且专业的学术语言讲得通俗易懂,用地板砖的分布来比喻材料的分布,重点部分的密集分布。

王博士的沉稳教学风格让我感受到了知识的力量。

王博士从背景介绍、TCAD概念、TCAD工具、TCAD算法及其展望五个方面对这一前沿技术依次进行了概述。

1949年半导体器件模拟的概念起源于Shockley的论文,奠定了结型二极管和晶体管的基础,是一种局部分析方法。

1964年H.K.Gummel首先用数值方法代替解析方法模拟了一维双极晶体管,从而使半导体器件模拟向计算机化迈进。

1969年 D.P.Kennedy和R.R.O’Brien第一个用二维数值方法研究了JFET.J.W.Slotboom用二维数值方法研究了晶体管的DC特性。

更深层次的了解了半导体器件的起源,了解技术的历史才能更好的前进使其不断的更新。

TCAD(Technology Computer Aided Design)是一种基于计算机辅助设计的技术,即采用计算机模拟开发和优化半导体工艺技术和半导体器件。

TCAD模拟工具解算基本的物理偏微分方程,例如扩散方程和传输方程。

这种技术可以减少工艺开发的成本和时间,TCAD在投入制造之前对工艺窗口进行优化,这样不仅提高了效率还提升了速度。

之前关于电子器件的设计软件就只了解DXP里面的相关器件的设计功能。

这一次通过王博士的简短介绍TCAD知道了关于它的仿真流程以及TCAD的工具。

其中TCAD的仿真流程可分为:网格划分、方程离散化、求解方程。

网格的划分是重要部分就会网格线密集其余部分比重较轻。

这个地方王豪博士将教师里的地板分割线以及地板上的区域重要性进行了类比。

综合实验二-纳米器件的透射谱和电导测量 湘潭大学 期末复习

综合实验二-纳米器件的透射谱和电导测量 湘潭大学 期末复习

2)库仑堵塞现象:如果两个纳米微粒的尺寸小到一定程度, 它们之间的电容也会小到一定程度,以至于电子不能集体传输 ,只能一个一个单电子传输,这种不能集体传输电子的行为称 之为库仑堵塞。
• 即当中心颗粒(也称量子点或库仑岛)的尺寸足够小时,它与 周围外界之间的电容可小到10-16F的数量级,在这种条件下每 当单个电子从外面穿隧进入库仑岛,它给库仑岛附加的充电能 Ec = e2/2C
6)反常热导 传统宏观材料热输运特性遵守傅里叶定律。
J T
单位时间内通过单位面积的热量,正比于垂 直于该截面方向上的温度梯度以及其截面面 积,而热量传递的方向与温度梯度上升的方 向正好相反。
在碳纳米管、氮化硼纳米 管等微纳结构中,热导率 取决于体系的尺寸大小, 而不再像三维宏观块体材 料一样是一个恒定值(称 这种现象为反常热导)
波函数墙
如何描述纳米材料输运特性? 答案就是利用格林函数
波函数墙
第三节 格林函数方法简介 格林函数是由哈密顿量来构造的。有一个哈密顿量,就可 以构造相应的格林函数。因此格林函数也就代表了哈密顿量。 它的地位和哈密顿量是等价。凡是通过哈密顿量能够求出的物 理量,也可以通过格林函数来求出。 格林函数的思想是:从描述系统中粒子的运动入手,来求 知与粒子有关的物理性质。从数学上讲,格林函数是一个运动 方程的解。物理上,当然要由系统的哈密顿量来决定解是什么 样的。
格林函数的特点是:
A.它可以不用求解波函数,直接得到本征值、态密度等实验 上可测量的物理量。 B.它有一些比较标准的近似方法,可以比较容易地处理复杂 的系统。 C.由于格林函数是描述粒子的运动的,所以它可以用来求解 系统的输运性质,例如计算电流、电导等。 D.格林函数还是系综的平均值,因此容易处理多体系统,并 且处理有限温度的情况。

纳米结构材料在先进能源器件应用中的表界面问题研究

纳米结构材料在先进能源器件应用中的表界面问题研究

项目名称:纳米结构材料在先进能源器件应用中的表界面问题研究首席科学家:起止年限:依托部门:一、关键科学问题与研究容拟解决的关键科学问题(1)表界面纳米结构与能量转化和存储的构效关系与调控原理。

(2)能量转换存储器件中纳米结构材料的可控制备。

(3)光电转换储能器件制备和使用过程中的原位、实时表征原理与方法。

(4)影响储能纳米结构动力学稳定性的关键因素。

(5)光伏器件中表界面能级的匹配与界面电荷分离性能的优化。

围绕以上关键科学问题,“纳米结构材料在先进能源器件应用中的表界面问题研究”以纳米结构材料在能源器件应用过程中的表界面为切入点,研究高性能能源器件的共性问题。

研究容包括三个密切相关的部分,首先,结合理论计算,通过设计并可控制备纳米功能材料,采用化学修饰、纳微复合结构等手段得到高效稳定的纳米结构材料。

其次,采用先进的纳米材料表征和测试技术,原位表征先进能源器件中纳米材料表界面的结构与性能,研究载流子在表界面上的输运、存储和反应特性,阐明影响纳米材料稳定性的关键因素,由此解决纳米结构材料在先进能源器件应用中热力学稳定性与动力学活性兼顾这一关键科学问题。

第三,通过对纳米材料在先进能源器件应用中表界面问题的研究,实现高光电转化效率量子点光伏器件和高能量密度锂电池。

项目的研究重点为:(1)表界面纳米结构与能量转化和存储的构效关系与调控原理先进能源器件的高性能主要源于其对纳米结构材料的使用,随着材料维度的降低和特征尺度的减小,纳米结构的量子效应、尺寸效应、表界面效应等一系列物理效应变得显著,它们是提高能源器件性能的关键所在。

我们将结合纳米结构材料本身的结构与特性,通过实验和理论研究相结合,研究纳米结构材料中的物理、化学变化规律,特别是表界面结构在能源器件工作过程中的动态变化,探索器件光电转换与能量存储的微观过程与机制。

在深入分析和模拟实验现象的基础上,提出表界面纳米结构与能量转化和存储的构效关系,并在此基础上根据能源器件工作原理提出调控和优化器件性能的原理。

微纳米电子器件的散热流程和机理

微纳米电子器件的散热流程和机理

摘要微纳米电子器件的散热问题是目前制约半导体工业发展的重要瓶颈。

将电子器件工作时产生的热量传输到封装外壳后再耗散到环境中去需要好几个步骤,每个步骤需要不同的方法,其中有些步骤涉及到了固体中的界面热传导问题和高性能导热材料。

文章先介绍了近期关于微纳米尺度器件散热问题中碰到的热传导问题在理论和实验两方面的研究进展。

在热传导理论和计算方法方面,作者讨论了傅里叶定律在微纳米尺度的适用性,介绍了玻尔兹曼方程、分子动力学模拟和格林函数方法。

在热传导实验方面,介绍了用扫描热显微镜测量样品表面温度和用超快激光反射法测量薄膜材料的热导率及其界面热阻。

然后介绍了界面热传导问题,包括界面热阻的计算以及电子—声子相互作用对界面热阻的影响。

最后作者介绍了关于高性能导热材料方面的最新进展,包括碳基导热材料、晶格结构类似于石墨烯的氮化硼材料、高分子有机材料以及界面热阻材料。

01 引言随着科学技术的进步,半导体集成电路的器件集成度按照摩尔定律(Moore’s law)快速增加, 目前普遍采用的22nm晶体管生产工艺可以在一平方厘米的面积内集成数十亿个晶体管。

如此密集的晶体管在以极高频率工作时必然会产生巨大的热量,包括晶体管中电流通过时产生的焦耳热和电容充放电时所产生的热量。

这些热量积聚在极小的器件范围内,如果不及时疏导出去,会使得电子器件的局部温度急剧升高,形成热点(hot spot)。

过高的温度会大大降低器件的可靠性和运行速度,并最终导致集成电路被烧毁。

因此,将产生的热量及时耗散到器件以外,使器件的工作温度保持在较低水平是半导体电子工业发展所面临的一个重要课题。

总体上说,大规模集成电路的散热大致上可以分为两个(或者三个)步骤,如图1(a)所示。

第一步是单个晶体管产生的热量被传导通过封装外壳。

第二步是通过多种介质将热量从封装外壳扩散到环境中,例如目前计算机中普遍采用的是以空气为介质的气冷方式,即风扇或散热片,如图1(b)所示;以液体为介质的液冷方式,如微槽道冷却结构(micro-channel cooling);以电子—声子为介质的热电制冷(thermo-electric cooling)等等。

《纳米复合材料的弹性性能的多尺度建模分析》范文

《纳米复合材料的弹性性能的多尺度建模分析》范文

《纳米复合材料的弹性性能的多尺度建模分析》篇一一、引言纳米复合材料是由纳米级结构单元和聚合物或金属等基体复合而成的一种新型材料。

因其结合了纳米级结构的优异性能和基体的可塑性,纳米复合材料在众多领域中得到了广泛的应用。

弹性性能作为材料的基本属性之一,对材料的使用性能具有重要影响。

因此,对纳米复合材料的弹性性能进行多尺度建模分析,对于理解其性能、优化其设计和提高其应用价值具有重要意义。

二、纳米复合材料的基本特性与结构纳米复合材料以纳米尺寸的颗粒或纤维作为增强相,通过与基体复合得到。

其具有较高的强度、韧性以及热稳定性等优异性能,能够有效地改善基体的性能。

其结构特点为多尺度性,包括纳米尺度的增强相和宏观尺度的整体结构。

三、多尺度建模的必要性由于纳米复合材料的多尺度特性,对其弹性性能的建模需要从多个尺度进行分析。

宏观尺度的模型可以描述材料的整体行为和力学响应,而微观尺度的模型则能够揭示材料内部的结构特性和相互作用机制。

通过多尺度建模,可以更好地理解纳米复合材料的弹性性能,并为其设计和优化提供理论依据。

四、多尺度建模方法1. 宏观尺度建模:基于连续介质力学理论,建立材料的本构关系和弹性性能模型。

通过实验数据和有限元方法,对材料的整体弹性性能进行预测和分析。

2. 微观尺度建模:利用分子动力学模拟和量子力学计算等方法,研究纳米级增强相与基体之间的相互作用机制,以及其对材料弹性性能的影响。

通过分析材料的微观结构,揭示其弹性性能的内在机制。

3. 跨尺度建模:将宏观尺度和微观尺度的模型相结合,建立跨尺度的多层次模型。

通过将微观尺度的模拟结果与宏观尺度的模型进行耦合,实现对纳米复合材料弹性性能的全面分析和预测。

五、多尺度建模分析的应用多尺度建模分析在纳米复合材料的弹性性能研究中具有重要的应用价值。

首先,通过对材料的微观结构进行模拟和分析,可以揭示其增强相与基体之间的相互作用机制,为优化材料设计提供理论依据。

其次,通过跨尺度的多层次模型,可以预测材料的整体弹性性能,为材料的应用提供可靠的依据。

非平衡格林函数方法

非平衡格林函数方法

非平衡格林函数方法
非平衡格林函数方法是一种量子力学计算方法,用于研究非平衡态下的电子结构和输运性质。

它通过求解非平衡格林函数来描述系统的电子态和输运性质。

非平衡格林函数是描述非平衡态下的电子密度矩阵和电子自能的重要工具。

在非平衡态下,电子系统中存在着电子的注入和抽出,因此电子系统的密度矩阵和自能不再是平衡态下的对角化态。

非平衡格林函数方法通过求解非平衡态下的格林函数,可以得到体系的电子密度矩阵和自能,从而研究体系的输运性质。

非平衡格林函数方法可以用于研究各种体系的输运性质,如半导体器件、分子器件、纳米结构等。

该方法的优点在于可以考虑电子-电子相互作用和电子-声子相互作用等非平衡效应,可以得到更为准确的结果。

非平衡格林函数方法的实现需要使用一系列数学工具,如Keldysh路径积分、费曼图等。

这些工具的使用使得非平衡格林函数方法的计算复杂度较高,但是在研究非平衡态下的电子输运性质时,该方法是一种非常有效的计算工具。

总之,非平衡格林函数方法是一种重要的量子力学计算方法,可以用
于研究非平衡态下的电子结构和输运性质。

在未来的研究中,非平衡格林函数方法将继续发挥重要作用,推动纳米电子学、分子电子学等领域的发展。

非平衡格林函数materials studio

非平衡格林函数materials studio

非平衡格林函数materials studio1. 引言非平衡格林函数是材料科学中一个重要的概念,通过材料模拟软件Materials Studio可以计算出非平衡格林函数。

本文将介绍Materials Studio的基本原理、使用方法,以及非平衡格林函数的应用和意义。

2. Materials Studio简介Materials Studio是由Accelrys公司开发的一套材料模拟软件,主要用于材料的建模、模拟和分析。

它集成了多种计算方法和模型,在材料设计和研究中具有广泛的应用。

3. 非平衡格林函数原理非平衡格林函数(Non-equilibrium Green’s Function,NEGF)是描述非平衡态电子性质的一种理论框架。

它基于量子力学和热力学的基本原理,可以给出材料中电子的能级、概率密度和输运性质等信息。

NEGF方法在材料科学中的应用非常广泛,尤其在纳米电子器件和材料界面研究中具有重要意义。

3.1 NEGF的基本原理NEGF方法通过构建材料的哈密顿算符和自能函数,可以描述材料中电子的运动和相互作用。

其基本原理包括:1.构建系统哈密顿算符:通过考虑材料的结构和电子的相互作用,可以得到系统的哈密顿算符,用于描述电子的能级和波函数。

2.系统与外界的耦合:材料通常与外界环境相互作用,通过引入材料与外界的耦合,可以描述电子的散射和输运。

3.自能函数的计算:通过求解态密度和散射态等物理量,可以得到电子的自能函数,用于描述电子的能级变化和相互作用。

3.2 Materials Studio中的NEGF计算Materials Studio提供了NEGF方法的实现,可以通过以下步骤进行计算:1.材料建模:使用Materials Studio提供的建模工具,构建材料的晶体结构和电子结构。

2.参数设置:根据系统的实际情况,设置NEGF计算所需的参数,如温度、电子密度等。

3.计算NEGF:利用Materials Studio中的NEGF计算模块,对所选材料进行非平衡格林函数计算。

基于格林函数的纳米器件模型分析

基于格林函数的纳米器件模型分析

基于格林函数的纳米器件模型分析一.The Green’s function1.定义A Green's function, G(x, s), of a linear differential operatorL= L(x) acting on distributions over a subset of the Euclidean space R n, at a point s, is any solution of(1)where is the Dirac delta function. This property of a Green's function can be exploited to solve differential equations of the form(2)As a side note, the Green's function as used in physics is usually defined with the opposite sign; that is,(3)If the operator is translation invariant, that is when L has constant coefficients with respect to x, then the Green's function can be taken to be a convolution operator, that is,(4)In this case, the Green's function is the same as the impulse response of linear time-invariant system theory.2.推算Loosely speaking, if such a function G can be found for theoperator L, then if we multiply the equation (1) for the Green's function by f(s), and then perform an integration in the svariable, we obtain;(5)The right hand side is now given by the equation (2) to be equal to L u(x), thus:(6)Because the operator L= L(x) is linear and acts on thevariable x alone (not on the variable of integration s), we can take the operator L outside of the integration on the right hand side, obtaining;(7)And this suggests;3.格林函数在纳米器件中作用(8)(9)对比方程(1),可知:带入方程(9),可知:其中,这就是格林函数表示电荷密度和密度矩阵,其中[A(E)]是谱函数(spectral function),谱函数A的物理意义:Indeed the diagonal elements of [A(E)]/2*pi in the realspace representation give us the local density of states atdifferent points in space (a quantity that can be measuredwith scanning probe microscopy)4.自能矩阵(self-energy)(1)物理含义The concept of self-energy is used in many-body physics to describe electron–electron and electron–phononinteractions. In the present context, however, we are usingthis concept to describe something much simpler, namely, theeffect of a semi-infinite contact.(2)自能矩阵的推导在考虑了电极时,沟道的总哈密顿量为τ是电极对沟道的作用矩阵H是电极的哈密顿矩阵R总的格林函数为从上面的公式可得:其中电极作用的等价表示:This shows that the effect of the coupling to the reservoir can be accounted for by adding a self-energy matrix to the Hamiltonian H This is a very general concept that allows us to eliminate the huge reservoir and work solely within the device subspace whose dimensions are much smaller自能矩阵的求解:The indices m, n refer to points within the device while μυ,refer to points inside the reservoir.表面格林函数:t he coupling matrix τ couples the points withinthe device to a small number of points on the surface ofthe reservoir, so that we only need (,)R g μυ for points (,)μυ that are on the surface.)(][1ββαi i i i gs I E gs ++---= ()it should be noted that the periodic boundary conditions merely get rid of end effects through the artifact of wrapping the device into a ring while the self-energy method treats the open boundary condition exactly. An open system has a continuous energy spectrum, while a ring has a discrete energy spectrum.It might appear that the self-energy method is just anothermethod for handling boundary effects.(3)自能矩阵的性质与推演Firstly, they are energy dependent.Secondly, they are not Hermitian.自能矩阵性质的影响The point we want to make is that the self-energy terms have two effects. One is to change the Hamiltonian from H L to L H ∧which changes the eigenstates and their energies. But more importantly, itintroduces an imaginary part to the energy determined by the‘broadening’ functions (扩展函数)1Γand 2Γ . The former represents a minor quantitative change (量变); the latter represents a qualitative change (质变)with conceptual implications.[H +∑] has complex eigenvalues and the imaginary part of the eigenvalues both broadens the density of states and givestheeigenstates a finite lifetime.扩展矩阵:We have often made use of the fact that we can simplify ourdescription of a problem by using the eigenstates of the Hamiltonian[H] as our basis. For open systems we would want to use arepresentation that diagonalizes [H +H ∑]in our energy range of interest.If the same representation also diagonalizes [Γ], then the problem could be viewed simply in terms of many one-level devices in parallel.本征能量为where 1,2,εγγare the corresponding diagonal elements 1,L H ∧ΓΓ2,, respectively122212+())((+)/2)E E γγδεεγγ-−−→-+( 5. 态密度(density of states )和局域态密度(Local density of states)ε has a density of statesa system with a set of eigenvaluesαgiven by从这个公式发现能级的态密度权重为1,但实际发现不同的能级态密度的权值不同,这主要是原来的态密度没有考虑空间态密度分布(spatial distribution of the states),所以为了知道沟道的局域态密度,我们要乘入属于沟道波函数平方,即If we look at the local density of states in the channel we see a series of energy levels with varying heights, reflecting the fraction of the squared wavefunction residing in the channel局域态密度定义:局域态密度更普通的概念:the diagonal element(divided by 2π)of the spectral function [A(E)] 同样的电荷密度是密度矩阵的对角元素因为所以可证明二.相干传输(Coherent transport)1.传输系数(Transmission)传输函数:One could view the device as a “semi-permeable membrane” that separates two reservoirs of electrons (source and drain) and the transmission function T (E)asa measure of the permeability of this membrane to electrons with energy E.传输模型:In the transmission formalism (sometimes referred to as the Landauer approach) the channel is assumed to be connected to the contacts by two uniform leads that can be viewed as quantum wires with multiple modes or subbands having well-defined E–k relationships传输定理:This allows us to define an S-matrix for the device analogous to a microwave waveguide where the element tnm of the t-matrix tells us the amplitude for an electron incident in mode m in lead 1 to transmit to a mode n in lead 2两端器件:The Green’s function formalism provides a simple way to separate the total spectral function TAU into a left spectral function [A1] and a right spectral function [A2]:朗道定理:I-V 特性分析:自洽计算二维泊松方程在沟道碳原子构成的正六边形网格上的差分格式为U bdy 与两端源漏电势有关哈密顿量求解泊松方程迭代 Vd 自能迭代 Vs 自能迭代 Vg 自能迭代体系格林函数计算 T(E)----电流计算 差分单元划分非平衡态 平 衡 态 电压分布U(r)。

非平衡格林函数法在纳米量级MOS器件分析中的应用

非平衡格林函数法在纳米量级MOS器件分析中的应用

兰州大学硕士学位论文非平衡格林函数法在纳米量级MOS器件分析中的应用姓名:张致琛申请学位级别:硕士专业:微电子学与固体电子学指导教师:杨建红20070601兰州大学硕士学位论文第三鼋非常短(12rim),沟道中被两边的空问电荷区占满了,使得沟道被耗尽。

图3.2给出的是三种能谷中的第一子带在x方向上的分布。

材料硅(Si)的导带共有6个能谷(如图3.3所示),沿同一个轴上的两个能谷完全对称,可以说是一种能谷,因此共有3种能谷。

图3.3硅在模空问中的能谷分布示意图。

能谷1和2沿<100>方向(图中KI方向),它们有纵向有效质量,这里表示成第一能谷。

而能谷3到6垂直于<1∞>方向(图中K,和Kz方向),则具有横向有效质量,这里表示成第二、三能谷。

因为三种能谷有效质量的不同,因此图3.2中第二、三能谷线重合在一起和第一能谷线分开。

图3.4给出在三种能谷中二维电子浓度沿x方向分布。

与图3.2相对应,因为第一能谷的能带最低,所以第一能谷中的电子浓度高于另外两个能谷中的电子浓度。

图3.5给出总的二维电子浓度在z方向的分布情况。

图3.6中可以看到二氧化硅中导带的分布情况。

在模拟过程中,当得到图3.1所示的能带分布后,乘以z方向上的波函数分布后便得到图3.6中所示的x—z平面内的能带分布。

图3.6中可以清楚地看到第一类和第二类边界条件的设定对模拟结果的影响。

如第二章中关于边界条件所述,源漏区采用的是第二类边界条件,两边允许载流子的注入和抽出,而不会影响到电荷平衡,整个能级可以上下波动。

而在上下两个栅接触区采用的是第一类边界条件,如图3.6所示,整个能级被固定于一个定值。

在模拟中,可以不用设置上下栅的边界条件,而令上下边界处的电势等于相邻内部点的电势值。

这种设置表示没有上下栅的存在,则器件类似于一个npn三极管。

图3.7给出的是整个器件中电子浓度的三维分布。

在二氧层和沟道的界面处,电子浓度急剧减小.值得注意的是,由于电子浓度的坐标尺度问题,表面看起来二氧化硅中电子浓度为O。

第五章CNTFET的半经典模型与...

第五章CNTFET的半经典模型与...
Center for Microwave and RF Technologies Advisor: Wen-Yan Yin
School of Electronic Information and Electrical Engineering Shanghai Jiao Tong University Shanghai, P. R. China January, 2010
上海交通大学硕士学位论文
摘要
碳纳米管场效应管的建模与仿真研究
摘要
本文在仔细总结了碳纳米管基本特性和纳米场效应管建模基本理论的基础上,对 以半导体性的碳纳米管这一新型材料做为沟道的场效应管进行了建模和仿真,并分 析该场效应管的特性和物理机制。
本工作将集中研究金属-氧化物-半导体类型的碳纳米管阵列场效应管。本文将对 已有的单壁碳纳米管阵列场效应管的解析模型进行详细的推导,包括基于半经典载 流子输运的电流源,准确的沟道电容,寄生电容,掺杂电阻,以及肖特基势垒电阻 等。基于该单壁的模型,论文首次对基于双壁碳纳米管阵列的场效应管进行了建模, 得出其电路模型。该模型的核心是一个解析的非平衡电荷控制方程组,通过求解该 非线性方程组,可以同时得到内壁和外壁上的自洽电势,从而得到内壁和外壁的自 洽电荷密度以及电流。该模型也考虑到了相邻双壁碳纳米管之间的静电影响,以及 各种寄生效应。
A Dissertation Submitted to Shanghai Jiao Tong University for the Master Degree
Modeling and Simulation of Carbon Nanotube Field Effect Transistors
Author: Jun Huang Specialty: Electromagnetic Field and Microwave Technology

固态物理学家用的格林函数

固态物理学家用的格林函数

固态物理学家用的格林函数近年来,固态物理学家广泛应用格林函数理论来研究材料的电子结构、光学性质、磁学性质等。

格林函数作为一种重要的物理量,能有效描述材料中束缚粒子的运动和相互作用过程。

格林函数可以看作是一个行为良好的算子,它将某一个物理量在某个时刻和一定的空间位置上的取值与在另一时刻和位置上的取值联系起来。

在固态物理中,最常用的就是格林函数的电子表象,即电子格林函数。

通过该格林函数,可以得到材料中各种电子态的能量、寿命、准确位置等信息。

电子格林函数的定义如下:对于给定的哈密顿量H和格林函数G,满足以下方程:(iωn-H)G(iωn)=1其中,ωn为频率的分立值,作为和时间无限制的变量。

通过应用各种近似方法和数值算法,可以求解电子格林函数。

例如,针对材料的简单晶格模型,可以采用紧束缚近似、平面波近似、Wannier函数近似等方法来简化计算,从而得到较为准确的结果。

而针对复杂的材料体系,计算难度较大,需要使用更加复杂的算法,如自洽过程、第一性原理计算等。

利用电子格林函数,可以计算出材料的各种性质。

例如,计算材料的光学吸收谱可以得出材料的能带结构、势垒高度、激子特性等信息。

计算材料的电导率、特别是高温超导体的临界温度,需要用到强关联电子格林函数理论。

在应用中,固态物理学家经常需要解决的问题之一是如何计算电子格林函数在实空间的跃迁。

一般情况下,电子格林函数是在动量空间下计算,因此转换到实空间下可能会遇到较大的计算困难。

为了解决这个问题,物理学家发展了许多计算技巧和近似方法,如用逆向FFT 算法将电子格林函数快速转换到实空间中。

总的来说,格林函数理论在固态物理研究中扮演着极为重要的角色。

通过运用该理论,物理学家不仅可以深入理解材料的物理性质,还可以指导新材料的设计和合成。

当今,基于电子格林函数理论的研究成果在磁性、光学、拓扑等领域都有着广泛的应用。

纳米分子器件的递归格林函数方法的研究

纳米分子器件的递归格林函数方法的研究

纳米分子器件的递归格林函数方法的研究
刘玉卫;周彦;林万杰
【期刊名称】《科学技术与工程》
【年(卷),期】2008(008)013
【摘要】利用递归格林函数方法,对4,4,吡啶分子的量子传导特性进行了理论研究,得出了入射电子通过纳米分子桥的电子传输谱.结果显示透射电子传输峰值的出现是传导电子与分子轨道能级谐振的结果.
【总页数】3页(P3593-3595)
【作者】刘玉卫;周彦;林万杰
【作者单位】燕山大学理学院物理系,秦皇岛,066004;燕山大学理学院物理系,秦皇岛,066004;燕山大学理学院物理系,秦皇岛,066004
【正文语种】中文
【中图分类】O482.4
【相关文献】
1.弹性散射格林函数方法在计算分子线伏-安特性中的应用 [J], 于历;高光金;周立友;李英德
2.低维纳米材料量子热输运与自旋热电性质——非平衡格林函数方法的应用 [J], 陈晓彬;段文晖
3.复动量格林函数方法对n-α散射研究 [J], 王晓伟; 郭建友
4.基于格林函数方法的核部件疲劳分析方法研究 [J], 谢海;邵雪娇;张毅雄;卢喜丰;
艾红雷;白晓明;高世卿
5.几种格林函数方法的形成及其应用比较研究 [J], 雒向东;张明;海波;赵宇杰因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。

计算物理学中的纳米材料计算

计算物理学中的纳米材料计算

计算物理学中的纳米材料计算随着科技的飞速发展,越来越多的材料或设备被设计成了纳米尺度,这些纳米材料具有独特的性质和行为,使得它们在许多领域都有着广泛的应用,例如能源、生物医学和电子学等。

然而,由于纳米材料尺度的微小性和表面效应的显著性,对其性质和性能的研究变得异常困难,需要使用计算物理学等先进技术进行解决。

计算物理学是指通过计算机模拟等数学计算方法研究物理系统的一种方法。

纳米材料计算就是使用计算物理学中的相关技术对纳米材料进行模拟和计算,以便研究其物理和化学性质。

这种方法可以帮助科学家们了解纳米材料的行为和性质,并为纳米技术的发展提供一些重要的见解。

第一部分:纳米材料的计算方法在纳米材料的计算中,常用的算法包括分子动力学模拟、密度泛函理论、多体格林函数、紧束缚近似等。

其中,分子动力学模拟是一种基于牛顿力学和随机过程的经典方法,主要用于模拟凝聚态系统的结构和动力学行为。

该方法可以很好地模拟纳米材料的热力学性质、力学性质、表面效应和化学反应等。

另一个常用的方法是密度泛函理论,它是一种计算量子力学性质的方法,也被广泛应用于纳米材料的计算中。

密度泛函理论将自由能变化与系统的电荷密度相关联,从而可以计算出材料的本征态、等离子体激元、局域场增强效应等性质。

此外,多体格林函数和紧束缚近似也可以用于纳米材料的计算,其中多体格林函数是一种用于描述系统自由度与外界环境耦合的方法,而紧束缚近似则是一种用于描述电子行为的模型,它可以帮助研究量子点、纳米线、石墨烯等纳米材料中的电子性质。

第二部分:纳米材料的性质和应用通过计算物理学中的纳米材料计算,科学家们可以得到许多关于纳米材料的性质和应用的信息。

例如,他们可以计算纳米材料的结构、形态、热学性质、电学性质等基本特征,以及纳米材料的磁性、光学性质、催化性能、生物相容性等功能性特征。

此外,纳米材料还具有广泛的应用领域。

例如,纳米化材料可以用于制造更小、更敏感、更高效的传感器、存储介质、光电子元件等,从而提高设备性能。

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基于格林函数的纳米器件模型分析一.The Green’s function1.定义A Green's function, G(x, s), of a linear differential operatorL = L(x) acting on distributions over a subset of the Euclidean space R n, at a point s, is any solution of(1)where is the Dirac delta function. This property of a Green's function can be exploited to solve differential equations of the form(2)As a side note, the Green's function as used in physics is usually defined with the opposite sign; that is,(3)If the operator is translation invariant, that is when L has constant coefficients with respect to x, then the Green's function can be taken to be a convolution operator, that is,(4)In this case, the Green's function is the same as the impulse response of linear time-invariant system theory.2.推算Loosely speaking, if such a function G can be found for theoperator L, then if we multiply the equation (1) for the Green's function by f(s), and then perform an integration in the svariable, we obtain;(5)The right hand side is now given by the equation (2) to be equal to L u(x), thus:(6)Because the operator L = L(x) is linear and acts on the variable x alone (not on the variable of integration s), we can take the operator L outside of the integration on the right hand side, obtaining;(7)And this suggests;3.格林函数在纳米器件中作用(8)(9)对比方程(1),可知:带入方程(9),可知:其中,这就是格林函数表示电荷密度和密度矩阵,其中[A(E)]是谱函数(spectral function),谱函数A的物理意义:Indeed the diagonal elements of [A(E)]/2*pi in the realspace representation give us the local density of states atdifferent points in space (a quantity that can be measuredwith scanning probe microscopy)4.自能矩阵(self-energy)(1)物理含义The concept of self-energy is used in many-body physics to describe electron–electron and electron–phononinteractions. In the present context, however, we are usingthis concept to describe something much simpler, namely, theeffect of a semi-infinite contact.(2)自能矩阵的推导在考虑了电极时,沟道的总哈密顿量为τ是电极对沟道的作用矩阵H是电极的哈密顿矩阵R总的格林函数为从上面的公式可得:其中电极作用的等价表示:This shows that the effect of the coupling to the reservoir can be accounted for by adding a self-energy matrix to the Hamiltonian H This is a very general concept that allows us to eliminate the huge reservoir and work solely within the device subspace whose dimensions are much smaller自能矩阵的求解:The indices m, n refer to points within the device while μυ,refer to points inside the reservoir.表面格林函数:t he coupling matrix τ couples the points withinthe device to a small number of points on the surface ofthe reservoir, so that we only need (,)R g μυ for points (,)μυ that are on the surface.)(][1ββαi i i i gs I E gs ++---= ()it should be noted that the periodic boundary conditions merely get rid of end effects through the artifact of wrapping the device into a ring while the self-energy method treats the open boundary condition exactly. An open system has a continuous energy spectrum, while a ring has a discrete energy spectrum.It might appear that the self-energy method is just anothermethod for handling boundary effects.(3)自能矩阵的性质与推演Firstly, they are energy dependent.Secondly, they are not Hermitian.自能矩阵性质的影响The point we want to make is that the self-energy terms have two effects. One is to change the Hamiltonian from H L to L H ∧which changes the eigenstates and their energies. But more importantly, itintroduces an imaginary part to the energy determined by the‘broadening’ functions (扩展函数)1Γand 2Γ . The former represents a minor quantitative change (量变); the latter represents a qualitative change (质变)with conceptual implications.[H +∑] has complex eigenvalues and the imaginary part of the eigenvalues both broadens the density of states and givestheeigenstates a finite lifetime.扩展矩阵:We have often made use of the fact that we can simplify ourdescription of a problem by using the eigenstates of the Hamiltonian[H] as our basis. For open systems we would want to use arepresentation that diagonalizes [H +H ∑]in our energy range ofinterest.If the same representation also diagonalizes [Γ], then the problem could be viewed simply in terms of many one-level devices in parallel.本征能量为where 1,2,εγγare the corresponding diagonal elements 1,L H ∧ΓΓ2,, respectively122212+())((+)/2)E E γγδεεγγ-−−→-+( 5. 态密度(density of states )和局域态密度(Local density of states)ε has a density of statesa system with a set of eigenvaluesαgiven by从这个公式发现能级的态密度权重为1,但实际发现不同的能级态密度的权值不同,这主要是原来的态密度没有考虑空间态密度分布(spatial distribution of the states),所以为了知道沟道的局域态密度,我们要乘入属于沟道波函数平方,即If we look at the local density of states in the channel we see a series of energy levels with varying heights, reflecting the fraction of the squared wavefunction residing in the channel局域态密度定义:局域态密度更普通的概念:the diagonal element(divided by 2π)of the spectral function [A(E)] 同样的电荷密度是密度矩阵的对角元素因为所以可证明二.相干传输(Coherent transport)1.传输系数(Transmission)传输函数:One could view the device as a “semi-permeable membrane” that separates two reservoirs of electrons (source and drain) and the transmission function T (E)asa measure of the permeability of this membrane to electrons with energy E.传输模型:In the transmission formalism (sometimes referred to as the Landauer approach) the channel is assumed to be connected to the contacts by two uniform leads that can be viewed as quantum wires with multiple modes or subbands having well-defined E–k relationships传输定理:This allows us to define an S-matrix for the device analogous to a microwave waveguide where the element tnm of the t-matrix tells us the amplitude for an electron incident in mode m in lead 1 to transmit to a mode n in lead 2两端器件:The Green’s function formalism provides a simple way to separate the total spectral function TAU into a left spectral function [A1] and aright spectral function [A2]:朗道定理:I-V 特性分析:自洽计算二维泊松方程在沟道碳原子构成的正六边形网格上的差分格式为U bdy与两端源漏电势有关平衡态电压分布U(r)。

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