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Theses Year : 2018

Compact multiscale modeling of carbon-based nano-transistors

Modélisation compacte multi-échelle de nano-transistors à base de Carbone

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Abstract

Among emerging carbon materials, graphene has rapidly become an ideal candidate for nano-electronics. In this context, different methods have been proposed to transform its electric properties and remove the Dirac degeneracy point, leading to application to nano-transistors. In this thesis we apply a semi-analytical compact model to study two kinds of graphene-based nanotransistors: nanoribbon graphene transistor and nanomesh transistor. A tight-binding model is used to determine analytical expressions for the energy bands of a graphene nanoribbon. Comparisons are shown with ab-initio approaches and with measurements done on larger-scale transistors of the same kind. In the context of flexible electronics, mechanical stresses on circuits and subsequent geometric deformations of graphene-based components is an important issue. We investigate these effects on the conduction properties of nanoribbon transistors (both in ballistic and partially ballistic regimes). By assuming the presence of small deformations, a spectral scaling and a spectral shift due to the presence of a deformation can be taken into account analytically. This model leads to define in closed form effective quantities (masses, densities of states) used to numerically calculate potentials and currents in the nano-device. Numerical results are shown both in a ballistic and partially-ballistic regime, with and without the presence of Schottky contacts. The proposed results in Chapter 2 illustrate in a very simple way how the deformation of graphene nanoribbon influences the I-V characteristics of transistor. Another solution to realize graphene nanotransistor is the etching of nanoholes in a graphene sheet (thus realizing a nanomesh). If graphene nanomesh is properly shaped, the On/Off current ratio of transistor is expected to be enhanced. In Chapter 3, the semi-analytic method is used to evaluate the performance of nanomesh transistor with nanoribbon ones. The results are again compared with an ab-initio method. I-V characteristics of graphene nanomesh transistor are presented and compared with experimental results. The proposed results show how graphene nanomesh size influences the I-V characteristics of transistor. Given the simplicity and the reduced computation time of the approach, these results can lead to perform parametric analyses, optimizations and characterization of graphene nano-transistor when applied in larger-scale circuits.
Parmi les nouveaux matériaux émergents à base de carbone, le graphène est rapidement devenu un candidat idéal pour plusieurs applications en nanoélectronique. Dans ce contexte, différentes méthodes ont été proposées pour transformer ses propriétés électriques, et notamment supprimer sont point de dégénérescence de Dirac. L’ouverture d’un gap d’énergie peut ainsi conduire à l’usage du graphène dans des nano-transistors. Dans cette thèse, nous appliquons un modèle compact semi-analytique pour étudier deux types de nanotransistors à base de graphène: les transistors à nanorouban et les transistors à nanomesh. Un modèle de type thight-binding est utilisé pour déterminer les expressions analytiques des bandes d'énergie d'un nanorouban de graphène. Des comparaisons sont montrées avec des approches ab initio, et avec des mesures effectuées sur des transistors du même type mais à plus grande échelle. Dans le contexte de l'électronique pour applications souples, les contraintes mécaniques sur les circuits et les déformations géométriques des composants à base de graphène peuvent constituer un problème important. Nous étudions ces effets sur les propriétés de conduction des transistors à nanorubans (dans les régimes balistique et partiellement balistique). En supposant la présence de petites déformations, une mise à l'échelle spectrale et un décalage spectral dû à la présence d'une déformation peuvent être pris en compte de manière analytique. Ce modèle conduit à définir sous forme analytique les quantités effectives (masses, densités d’états) utilisées pour calculer numériquement les potentiels et les courants dans le nano-dispositif. Les résultats numériques sont présentés à la fois sous un régime balistique et partiellement balistique, avec ou sans contacts de Schottky. Les résultats proposés dans le Chapitre 2 illustrent de manière très simple comment la déformation du nanoribbon de graphène influence les caractéristiques I-V du transistor. Une autre solution pour réaliser un nanotransistor de graphène est la gravure de nano-trous dans une feuille de graphène (réalisant ainsi un nanomesh). Si le graphène nanomesh est correctement formé, le rapport de courant On / Off du transistor devrait être amélioré. Dans le Chapitre 3, la méthode semi-analytique est utilisée pour évaluer les performances d'un nanomesh à transistors à nanorubans. Les résultats sont à nouveau comparés à une méthode ab-initio. Les caractéristiques I-V du graphène nanomesh transistor sont présentées et comparées aux résultats expérimentaux. Les résultats proposés montrent comment la taille des nanomesh de graphène influence les caractéristiques I-V du transistor. Compte tenu de la simplicité et du temps de calcul réduit de l'approche proposé, ces résultats peuvent permettre des analyses paramétriques, des optimisations et des caractérisations de nano-transistor à graphène dans des circuits à plus grande échelle.
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tel-03125275 , version 1 (29-01-2021)

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  • HAL Id : tel-03125275 , version 1

Cite

Yi Zheng. Compact multiscale modeling of carbon-based nano-transistors. Electromagnetism. Sorbonne Université, 2018. English. ⟨NNT : 2018SORUS518⟩. ⟨tel-03125275⟩
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