JP5958308B2 - Electric conduction characteristic prediction method and program - Google Patents
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Description
本発明は、電子材料の電気伝導特性を予測する技術に関する。 The present invention relates to a technique for predicting electric conduction characteristics of electronic materials.
グラフェンは、例えば、黒鉛結晶中において、炭素の六角形格子を構成するsp2結合をした炭素原子よりなる原子層であるが、散乱の効果を抑制できれば室温でも200000cm2V-1s-1を超える非常に大きな電子移動度を達成可能であることから、グラフェンを使って超高速電子装置を作製する研究がなされている。 Graphene is, for example, an atomic layer made of carbon atoms with sp 2 bonds constituting a hexagonal lattice of carbon in a graphite crystal. However, if the effect of scattering can be suppressed, 200000 cm 2 V −1 s −1 can be obtained even at room temperature. Since it is possible to achieve a very high electron mobility exceeding that of the above, research on making ultrafast electronic devices using graphene has been conducted.
電子装置応用に用いるグラフェンのナノ構造として、特に注目されているのがグラフェンナノリボンである。グラフェン自体はゼロギャップの半金属物質であるが、グラフェンを幅数nm程度のリボン状に加工したグラフェンナノリボンはバンドギャップを持って半導体となり、電子装置のチャネルとして用いることができるためである。このようなグラフェンナノリボンの電気伝導特性を知ることは電子装置へ応用する上で非常に重要である。 Graphene nanoribbons are particularly attracting attention as graphene nanostructures used in electronic device applications. This is because graphene itself is a zero-gap metalloid material, but a graphene nanoribbon obtained by processing graphene into a ribbon having a width of several nanometers becomes a semiconductor with a band gap and can be used as a channel of an electronic device. Knowing the electrical conductivity characteristics of such graphene nanoribbons is very important for application to electronic devices.
電子材料の原子レベルでの電気伝導特性を調べる方法として、非平衡グリーン関数法に基づいた量子伝導計算が用いられている。グラフェンシート、或いは、実際の電子装置で電極として用いられる金属(Ni,Pdなど)の特性を示す電極の構造モデルを用いてシミュレーションを行うものである。しかしながら、これらを用いた場合は、グラフェンシートや金属の電子状態を正しく記述するために少なくとも数〜10点程度のk点を必要とし、各k点における伝導方向の透過係数を求めるために高コストの計算量を要する等、高速に精度良く電気伝導特性を調べることができない。 Quantum conduction calculation based on the nonequilibrium Green's function method is used as a method for examining the electrical conduction characteristics of electronic materials at the atomic level. The simulation is performed using a graphene sheet or an electrode structure model showing characteristics of a metal (Ni, Pd, etc.) used as an electrode in an actual electronic device. However, when these are used, at least several to about 10 k points are required to correctly describe the electronic state of the graphene sheet or metal, and high cost is required to obtain the transmission coefficient in the conduction direction at each k point. Therefore, it is impossible to check the electric conduction characteristics at high speed with high accuracy.
1つの側面において、本発明の目的は、低計算コストで精度良く電気伝導特性を予測することである。 In one aspect, an object of the present invention is to accurately predict electrical conduction characteristics at low calculation cost.
本実施例の一態様によれば、コンピュータによって実行される非平衡グリーン関数法に基づいた電気伝導特性予測方法であって、エッジが水素終端されたアームチェア型グラフェンナノリボンにアームチェア方向に引っ張り歪みを加えた電極の構造データを作成して記憶部に記憶し、前記記憶部に記憶された前記電極の構造データを用いて、前記電極で解析対象の系となるチャネル領域を挟み込んだ構造モデルを作成する。 According to an embodiment of the present invention, there is provided a method for predicting electrical conduction characteristics based on a nonequilibrium Green's function method executed by a computer, wherein an armchair graphene nanoribbon having a hydrogen-terminated edge is subjected to tensile strain in the armchair direction. A structure model is created by sandwiching a channel region as a system to be analyzed by using the electrode structure data stored in the storage unit. create.
また、上記課題を解決するための手段として、上記処理をコンピュータに実行させる電気伝導特性予測プログラム、そのプログラムを記録した記録媒体、及び電気伝導特性予測装置とすることもできる。 Further, as means for solving the above problems, an electric conduction characteristic prediction program for causing a computer to execute the above processing, a recording medium on which the program is recorded, and an electric conduction characteristic prediction apparatus can be provided.
本実施例の一態様によれば、アームチェア型グラフェンナノリボンにアームチェア方向に引っ張り歪みを加えた電極の構造データを用いるため、k点の個数を大幅に削減でき、低計算コストで精度良く電気伝導特性を予測することができる。 According to one aspect of this embodiment, since the electrode structure data in which the armchair graphene nanoribbon is subjected to tensile strain in the armchair direction is used, the number of k points can be greatly reduced, and the electric power can be accurately calculated at low calculation cost. Conductivity characteristics can be predicted.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。先ず、電子材料の原子レベルでの電気伝導特性を調べる方法について説明する。図1は、電気伝導計算に用いる構造モデルの例を示す図である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. First, a method for examining the electrical conduction characteristics of an electronic material at the atomic level will be described. FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a structural model used for electrical conduction calculation.
(1)先ず、図1に示すような半無限の電極11で、特性を調べたい対象の系となるチャネル領域12を挟み込んだ構造を表す構造モデル10を用意する。電極11は、原子の種類、原子の位置座標等による構造データで表現される。チャネル領域12も、同様に、原子の種類、原子の位置座標等による構造データで表現される。以下、電極の構造データを単に電極11と言い(後述される電極11aも同様である)、チャネル領域の構造データを単にチャネル領域12と言う。両側の電極11によりチャネル領域12を挟み込んだモデルが、構造モデル10である。
(1) First, a
(2)次に、印加電圧に対応するポテンシャル勾配をその電極11間に発生させ、セルフコンシステントにポテンシャル電子状態を収束させる。
(2) Next, a potential gradient corresponding to the applied voltage is generated between the
(3)それにより得られたグリーン関数を用い、ランダウア公式に従って、逆格子空間の各k点における伝導方向の透過係数を求める。 (3) Using the obtained Green function, the transmission coefficient in the conduction direction at each k point in the reciprocal lattice space is obtained according to the Landauer formula.
(4)これをすべてのk点について求めて合計し、電流値を計算する。印加電圧を変えて上記(2)〜(4)の計算処理を繰り返すことで電流電圧特性(電気伝導特性)を得る。 (4) This is calculated for all k points and summed to calculate the current value. Current voltage characteristics (electric conduction characteristics) are obtained by changing the applied voltage and repeating the calculation processes (2) to (4) above.
グラフェンナノリボンの電気伝導特性を調べる場合、上記(1)の電極11の構造モデルとして、
(i)グラフェンシート
或いは、
(ii)実際の電子装置で電極として用いられる金属(Ni、Pdなど)
を用いる。この場合には、k点の個数が数〜10点程度となり、上記(4)のプロセスにおいて高コストの計算量となることは、前述した通りである。また、チャネル領域12と電極11との間に、(i)の場合は真空との界面が、(ii)の場合はヘテロ界面が現れ、それらの界面の影響を加味した電気伝導特性が得られることになるため、チャネル領域12であるグラフェンナノリボンそのものの理想的な電気伝導特性を得ることができない。
When investigating the electrical conductivity characteristics of graphene nanoribbons, as a structural model of the
(I) graphene sheet or
(Ii) Metal used as an electrode in an actual electronic device (Ni, Pd, etc.)
Is used. In this case, the number of k points is about several to 10 points, and the cost of the process (4) is high as described above. In addition, in the case of (i), an interface with a vacuum appears between the
本実施の形態では、エネルギーギャップゼロのアームチェア型グラフェンナノリボン(AGNR:Armchair Graphene Nanoribbon)による電極11のモデルを作成することにより、k点個数を削減し、上記(2)〜(4)の計算処理の負担を軽減する。また、グラフェンシートのチャネル領域12の理想的な電気伝導特性の予測を可能とする。本実施の形態において、エネルギーギャップゼロ、又は、バンドギャップがゼロとは、ゼロを含むゼロ近傍の所定値内であることを意味する。
In the present embodiment, the number of k points is reduced by creating a model of the
以下に、本実施の形態におけるコンピュータによって実行される電気伝導特性予測方法について説明する。 Below, the electric conduction characteristic prediction method performed by the computer in this Embodiment is demonstrated.
図2は、本実施の形態における構造モデルの例を示す図である。図2において、チャネル領域12を電極11aで挟む電気伝導計算の構造モデル10aにおいて、エッジが水素終端されたリボン幅周期N=3m−1(m:整数)のアームチェア型グラフェンナノリボンにアームチェア方向に引っ張り歪みを加えた構造を電極11aとして用い、上記(2)、(3)及び(4)のプロセスによって、チャネル領域12の電流電圧特性を得る。
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a structural model in the present embodiment. In FIG. 2, in the
ここで、アームチェア方向とは、図3に示す方向Aであり、炭素原子22の結合において、このアームチェア方向Aに平行なエッジが現れた構造Bを持つグラフェンナノリボンをアームチェア型グラフェンナノリボンと呼ぶ。図3に示したのはエッジが水素原子23によって終端(水素終端)されたリボン幅周期N=8のアームチェア型グラフェンナノリボンの構造例である。図3において、dAは、炭素原子が六角格子状に結合したユニットセル21のアームチェア方向Aのユニットセルサイズを示している。
Here, the armchair direction is the direction A shown in FIG. 3, and the graphene nanoribbon having the structure B in which an edge parallel to the armchair direction A appears in the bond of the
一般に、アームチェア型グラフェンナノリボンは、エネルギーバンドギャップを持つ半導体であり、電極11aのモデルとして用いるのは不適切である。しかしながら、アームチェア型のグラフェンナノリボンは一軸性の歪みによってエネルギーバンドギャップの大きさを制御することができ、これによりエネルギーギャップがゼロの構造モデルを作成し、それを電極11aのモデルとして採用することが可能となる。この時用いるアームチェア型グラフェンナノリボンとしては、リボン幅周期がN=3m−1(m:整数)のナノリボンを用いると、N=3m、3m+1のナノリボンを用いる場合よりも与える一軸性の歪みを少なくすることができ、最も現実的である。
In general, the armchair graphene nanoribbon is a semiconductor having an energy band gap, and is inappropriate for use as a model of the
図4は、歪みとエネルギーギャップとの関係を説明するための図である。図4(A)に示すように、m=3(リボン幅周期N=8)のグラフェンナノリボンのユニットセル21に対してアームチェア方向に引っ張り歪みCを加えた場合の、エネルギーバンドギャップEgが図4(B)に示され、バンドギャップがゼロのバンド構造が図4(C)に示されている。
FIG. 4 is a diagram for explaining the relationship between strain and energy gap. As shown in FIG. 4A, the energy band gap Eg when a tensile strain C is applied in the armchair direction to the
図4(B)より、m=3(リボン幅周期N=8)の場合は、歪みがない場合には0.23eVのエネルギーバンドギャップが存在するが、アームチェア方向にε=1.86%の引っ張り歪みC(図4(A))を加えると、エネルギーバンドギャップが0.002eVとなり、電極11aのモデルとして用いることができる。図4(C)にそのバンド構造が示される。
From FIG. 4B, when m = 3 (ribbon width period N = 8), there is an energy band gap of 0.23 eV when there is no distortion, but ε = 1.86% in the armchair direction. When the tensile strain C (FIG. 4A) is added, the energy band gap becomes 0.002 eV, which can be used as a model of the
ここで、エネルギーバンドギャップがほぼゼロとなるεの値をε0とする。図5は、バンドギャップをゼロにするためのε0とmとの間の関係式を示す図である。図5に示すように、mとε0の間には、ε0=16.9/3mの関係がある。mが決まれば、この関係式からε0を求めることができる。 Here, the value of ε at which the energy band gap becomes almost zero is ε 0 . FIG. 5 is a diagram showing a relational expression between ε 0 and m for making the band gap zero. As shown in FIG. 5, there is a relationship of ε 0 = 16.9 / 3 m between m and ε 0 . If m is determined, ε 0 can be obtained from this relational expression.
上述したような本実施の形態に係る、グラフェンナノリボンの電気伝導特性を予測する電気伝導特性予測装置100は、図6に示すようなハードウェア構成を有する。図6は、電気伝導特性予測装置のハードウェア構成を示す図である。
The electric conduction
図6において、電気伝導特性予測装置100は、コンピュータによって制御される端末であって、CPU(Central Processing Unit)11と、主記憶装置52と、補助記憶装置53と、入力装置54と、表示装置55と、出力装置56と、通信I/F(インターフェース)57と、ドライブ58とを有し、バスBに接続される。
In FIG. 6, an electric conduction
CPU51は、主記憶装置52に格納されたプログラムに従って電気伝導特性予測装置500を制御する。主記憶装置52には、RAM(Random Access Memory)等が用いられ、CPU51にて実行されるプログラム、CPU51での処理に必要なデータ、CPU51での処理にて得られたデータ等を格納する。また、主記憶装置52の一部の領域が、CPU51での処理に利用されるワークエリアとして割り付けられている。
The
補助記憶装置53には、ハードディスクドライブが用いられ、各種処理を実行するためのプログラム等のデータを格納する。補助記憶装置53に格納されているプログラムの一部が主記憶装置52にロードされ、CPU51に実行されることによって、各種処理が実現される。記憶部130は、主記憶装置52及び/又は補助記憶装置53を有する。
The
入力装置54は、マウス、キーボード等を有し、ユーザが電気伝導特性予測装置100による処理に必要な各種情報を入力するために用いられる。表示装置55は、CPU51の制御のもとに必要な各種情報を表示する。出力装置56は、プリンタ等を有し、ユーザからの指示に応じて各種情報を出力するために用いられる。通信I/F57は、例えばインターネット、LAN(Local Area Network)等に接続し、外部装置との間の通信制御をするための装置である。通信I/F57による通信は無線又は有線に限定されるものではない。
電気伝導特性予測装置100によって行われる処理を実現するプログラムは、例えば、CD−ROM(Compact Disc Read-Only Memory)等の記憶媒体59によって電気伝導特性予測装置100に提供される。即ち、プログラムが保存された記憶媒体59から該プログラムが読み出されて、バスBを介して補助記憶装置53にインストールされる。そして、プログラムが起動されると、補助記憶装置53にインストールされたプログラムに従ってCPU51がその処理を開始する。尚、プログラムを格納する媒体としてCD−ROMに限定するものではなく、コンピュータが読み取り可能な媒体であればよい。コンピュータ読取可能な記憶媒体として、CD−ROMの他に、DVDディスク、USBメモリ等の可搬型記録媒体、フラッシュメモリ等の半導体メモリであっても良い。
The
A program for realizing the processing performed by the electrical conduction
図7は、電気伝導特性予測装置の機能構成例を示す図である。図7において、電気伝導特性予測装置100は、処理部として、入力パラメータ取得部31と、構造モデル作成部32と、電流電圧特性算出部33とを有する。各処理部31、32、及び33とは、CPU51が対応するプログラムを実行することによる処理によって実現する。また、記憶部130には、入力パラメータ41、規定値42、構造モデル10a、出力データ44等が記憶される。電気伝導特性予測装置100における、各処理部31〜33による手順を以下に説明する。
FIG. 7 is a diagram illustrating a functional configuration example of the electrical conduction characteristic prediction apparatus. In FIG. 7, the electric conduction
手順(1)において、入力パラメータ取得部31は、ユーザから、解析対象となるチャネル領域12のグラフェンナノリボンの構造を含む入力パラメータ41を取得して、記憶部130に格納する。
In the procedure (1), the input
入力パラメータ41には、チャネル領域12の原子の種類及び原子座標、チャネル領域12のリボン幅周期NC等の情報が含まれる。
The
手順(2)において、入力パラメータ取得部31は、入力パラメータ41を参照して、チャネル領域12に用意したグラフェンナノリボンのリボン幅周期NCに対して、電極11aに用いるアームチェア型グラフェンナノリボンのリボン幅周期N=3m−1が最も近い値となるように、mの値を選んでm0とする。例えば、NC=7であれば、m0=3である。
In Step (2), the input
手順(3)において、構造モデル作成部32は、図5のε0=16.9/3m0の関係式からε0の値を決定する。例えば、m0=3であれば、ε0=1.86である。
In procedure (3), the structural
手順(4)において、構造モデル作成部32は、リボン幅周期N=3m0−1のアームチェア型グラフェンナノリボンに関して、記憶部130に予め格納された規定値42を参照して、アームチェア方向のユニットセルサイズdAをグラフェンシートのユニットセルサイズである
In the procedure (4), the structural
手順(5)において、構造モデル作成部32は、以上の(1)〜(4)の手順によって作成した電極11aとチャネル領域12の構造を組み合せて、電極/チャネル領域/電極による構造モデル10aを作成する。作成された構造モデル10aは記憶部130に格納される。
In the procedure (5), the structural
手順(6)において、電流電圧特性算出部33は、記憶部130に格納された上記(5)の手順で作成した構造モデル10aを用いて、非平衡グリーン関数法に基づいた既存の電気伝導計算プログラムによりチャネル領域12の電流電圧特性を求める。
In the procedure (6), the current-voltage
上述した手順(2)から手順(3)での処理を図8で説明する。図8は、手順(2)から手順(3)での処理を説明するためのフローチャート図である。図8において、ステップS11〜S16が、入力パラメータ取得部31によって行われる手順(2)での処理に相当し、ステップS17が、構造モデル作成部32によって行われる手順(3)での処理に相当する。
The process from the procedure (2) to the procedure (3) will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a flowchart for explaining the processing from the procedure (2) to the procedure (3). In FIG. 8, steps S11 to S16 correspond to the process in the procedure (2) performed by the input
手順(2)において、入力パラメータ取得部31は、チャネル領域12のリボン周期NCと電極12aのリボン周期Nが近くなるmを求める。入力パラメータ取得部31は、mに1を代入し(ステップS11)、チャネル領域12のリボン周期NCと3m−1との差分の絶対値(以下、単に差分と言う。)をDiff(m)に設定する(ステップS12)。
In step (2), the input
その後、入力パラメータ取得部31は、mを1インクリメントし(ステップS13)、差分Diff(m)を更新する(ステップS14)。チャネル領域12のリボン周期NCと、mに1を加算した後の3m−1との差分を求める。
Thereafter, the input
次に、入力パラメータ取得部31は、今回求めた差分Diff(m)が前回の差分Diff(m−1)より大きいか否かを判断する(ステップS15)。今回の差分Diff(m)が前回の差分Diff(m−1)と等しいかそれ以下の場合、入力パラメータ取得部31は、ステップS13へと戻り、上述した同様の処理を行う。
Next, the input
今回の差分Diff(m)が前回の差分Diff(m−1)より大きい場合、入力パラメータ取得部31は、m0にm−1を設定して(ステップS16)、入力パラメータ取得部31による手順(2)の処理を終了する。m0には、チャネル領域12のリボン周期NCと電極12aのリボン周期Nが近くなるmが設定され、記憶部130に格納される。
When the current difference Diff (m) is larger than the previous difference Diff (m−1), the input
手順(2)の処理が終了すると、構造モデル作成部32によって手順(3)の処理が行われる。構造モデル作成部32は、手順(2)で求めたm0を用いて、図5のε0=16.9/3m0の関係式からε0の値を決定する(ステップS17)。
When the process of the procedure (2) is completed, the process of the procedure (3) is performed by the structural
次に、構造モデル作成部32は、図9に示す手順(4)へと進む。図9は、手順(4)での処理を説明するためのフローチャート図である。図9において、ステップS18〜S2が、構造モデル作成部32によって行われる手順(4)での処理に相当する。
Next, the structural
図9において、構造モデル作成部32は、ユニットセル21のサイズdA GSをアームチェア方向にε0%広げた、引っ張り歪みを加えた後のユニットセル21のサイズdAを算出し(ステップS18)、変数iに1を代入する(ステップS19)。
In FIG. 9, the structural
そして、構造モデル作成部32は、アームチェア方向Aに引っ張り歪みε0%を加えて広げた場合の炭素原子の位置座標を求める(ステップS20)。構造モデル作成部32は、
・mod(i,4) = 0
⇒x(i) = 0,
y(i) = 0+int(i/4)*dA/sqrt(3),
z(i) = 0
・mod(i,4) =1
⇒x(i) = 1/6*dA,
y(i) = dA/sqrt(3)/2 +int(i/4)*dA/sqrt(3),
z(i) = 0
・mod(i,4) = 2
⇒x(i) = 3/6*dA,
y(i) = dA/sqrt(3)/2 +int(i/4)*dA/sqrt(3),
z(i) = 0
・mod(i,4) = 3
⇒x(i) = 4/6*dA,
y(i) = 0+int(i/4)*dA/sqrt(3),
z(i) = 0
のように、変数iを4で割る剰余計算により、炭素原子の六角格子状の結合において、アームチェア(凸)部分を形成する4つの炭素原子の各位置に応じた座標を計算する。
Then, the structural
Mod (i, 4) = 0
⇒ x (i) = 0,
y (i) = 0 + int (i / 4) * d A / sqrt (3),
z (i) = 0
・ Mod (i, 4) = 1
⇒x (i) = 1/6 * d A ,
y (i) = d A / sqrt (3) / 2 + int (i / 4) * d A / sqrt (3),
z (i) = 0
Mod (i, 4) = 2
⇒x (i) = 3/6 * d A ,
y (i) = d A / sqrt (3) / 2 + int (i / 4) * d A / sqrt (3),
z (i) = 0
Mod (i, 4) = 3
⇒x (i) = 4/6 * d A ,
y (i) = 0 + int (i / 4) * d A / sqrt (3),
z (i) = 0
As described above, the coordinates corresponding to the positions of the four carbon atoms forming the armchair (convex) portion in the hexagonal lattice bond of the carbon atoms are calculated by the remainder calculation by dividing the variable i by 4.
構造モデル作成部32は、変数iが(3m0−1)×2であるか否かを判断する(ステップS21)。構造モデル作成部32は、変数iが(3m0−1)×2でない場合、変数iを1インクリメントして(ステップS21−2)、ステップS20へ戻り、炭素原子の位置を計算する。
The structural
変数iが(3m0−1)×2である場合、構造モデル作成部32は、アームチェア方向Aに引っ張り歪みε0%を加えて広げた場合の水素原子の位置座標を求める(ステップS22)。構造モデル作成部32は、電極12aのリボン周期Nと、引っ張り後との差分ΔdAとを設定し、4つの水素終端の位置座標を求める。
When the variable i is (3m 0 −1) × 2, the structural
N=3m0−1、ΔdA=(100+ε0)/100
・x(2N+1) = x(2N-1)-dC-H/2*ΔdA,
y(2N+1) = y(2N-1)+dC-H/2*sqrt(3),
z(2N+1) = 0
・x(2N+2) = x(2N)+dC-H/2*ΔdA,
y(2N+2) = y(2N)+dC-H/2*sqrt(3),
z(2N+2) = 0
・x(2N+3) = x(1)+dC-H/2*ΔdA,
y(2N+3) = y(1)-dC-H/2*sqrt(3),
z(2N+3) = 0
・x(2N+4) = x(2)-dC-H/2*ΔdA,
y(2N+4) = y(1)-dC-H/2*sqrt(3),
z(2N+4) = 0
構造モデル作成部32は、引っ張り後のユニットサイズdAのユニットセル21に関して、各原子の位置座標が求まると、ユニットセル21に基づく電極11aと、チャネル領域12の構造を組み合わせて構造モデル10aを作成する手順(5)での処理を行って、構造モデル作成部32での処理を終了する。構造モデル10aは記憶部130に格納される。
N = 3 m 0 −1, Δd A = (100 + ε 0 ) / 100
X (2N + 1) = x (2N-1) -d CH / 2 * Δd A ,
y (2N + 1) = y (2N-1) + d CH / 2 * sqrt (3),
z (2N + 1) = 0
X (2N + 2) = x (2N) + d CH / 2 * Δd A ,
y (2N + 2) = y (2N) + d CH / 2 * sqrt (3),
z (2N + 2) = 0
X (2N + 3) = x (1) + d CH / 2 * Δd A ,
y (2N + 3) = y (1) -d CH / 2 * sqrt (3),
z (2N + 3) = 0
X (2N + 4) = x (2) -d CH / 2 * Δd A ,
y (2N + 4) = y (1) -d CH / 2 * sqrt (3),
z (2N + 4) = 0
When the position coordinate of each atom is obtained with respect to the
そして、電流電圧計算部33は、記憶部130に格納された構造モデル10aを用いて、非平衡グリーン関数法に基づいた既存の電気伝導計算プログラムによりチャネル領域の電流値を算出する。電流電圧計算部33によって算出された電流値は、出力結果44として記憶部130に出力し格納される。
Then, the current /
上述したように、本実施の形態では、バンドギャップがゼロのグラフェンシートを電極11aとした構造モデル10aを作成することができる。従って、電流電圧特性算出部33は、k点を1つのみとして電流値を予測できるため、処理負担を軽減することができる。
As described above, in the present embodiment, the
また、チャネル領域12のグラフェンナノリボンのリボン幅周期NCに対して、電極11aのアームチェア型グラフェンナノリボンのリボン幅周期N=3m−1が最も近い値となるように、mを決定する。チャネル領域12と電極11aの構造が共にグラフェンナノリボンであること、また、互いにリボン幅周期が近いことにより、電極11aとチャネル領域12との界面からの影響を受けずにチャネル領域12のみの理想的な電流電圧特性を予測することができる。
Further, with respect to the ribbon width period N C graphene
本実施の形態に係る電気伝導特性予測装置100によって行った電気伝導特性予測の例を、第1の実施例、第2の実施例として以下に説明する。
An example of electric conduction characteristic prediction performed by the electric conduction
[第1の実施例]
図10は、第1の実施例における電気伝導計算の構造モデル10aを示す図である。第1の実施例では、チャネル領域12がN=8のグラフェンナノリボンを示す構造(a)と、チャネル領域12がN=8のグラフェンナノリボンを示す構造(b)の2種類の構造について、上述の手順(1)〜(6)に従って電流電圧特性を計算する。
[First embodiment]
FIG. 10 is a diagram showing a
手順(1)において、入力パラメータ取得部31によって、構造(a)、構造(b)のチャネル領域12として、それぞれNC=8とNC=7のアームチェア型グラフェンナノリボンの構造を含む入力パラメータ41が記憶部130に記憶される。これら構造(a)及び(b)において、エッジは全て水素終端する。
In the procedure (1), the input
手順(2)において、入力パラメータ取得部31によって、NC=8、7のどちらに対してもm0=3であり、電極11aに用いるアームチェア型グラフェンナノリボンのリボン幅周期は、N=3m0−1=8と決まる。
In step (2), the input
手順(3)において、構造モデル作成部32によって、ε0=16.9/(3×3)=1.86が得られる。
In procedure (3), the structural
手順(4)において、構造モデル作成部32によって、dA=dA GS×ΔdA=4.360が得られ、電極11aのユニットセル中の各原子座標が決定される。
In procedure (4), the structural
手順(5)において、構造モデル作成部32によって、図10に示した構造モデル10aが作成される。
In procedure (5), the structural
手順(6)において、電流電圧特性算出部33によって、図10に示した各構造モデル10aを用いて、電流値が予測される。非平衡グリーン関数法に基づいた既存の電気伝導計算プログラムとして第一原理計算コードOpenMX(http://www.openmx-square.org/)を用いても良い。
In step (6), the current-voltage
このようにして得られた電流電圧特性を図11に示す。図11は、第1の実施例における電流電圧特性の計算結果の比較例を示す図である。図11中、縦軸に電流量(μA)を示し、横軸にバイアス電圧Vb(V)を示す。 FIG. 11 shows the current-voltage characteristics obtained in this way. FIG. 11 is a diagram showing a comparative example of calculation results of current-voltage characteristics in the first embodiment. In FIG. 11, the vertical axis indicates the amount of current (μA), and the horizontal axis indicates the bias voltage V b (V).
理想的には、構造(a)はエネルギーバンドギャップを持たないが、構造(b)は1.3eVのエネルギーバンドギャップを持つ。図11において、構造(a)はバイアス電圧に対して0Vから線形的に電流量が増える金属的な性質を示すのに対し、構造(b)は1V程度のバイアス電圧以下では電流量がほとんど増えず、それ以降のバイアス電圧で線形的に電流量が増える半導体的な性質を示しており、本実施例において理想的なチャネル領域の電流電圧特性をよく予測できていることが確認できる。 Ideally, structure (a) has no energy band gap, while structure (b) has an energy band gap of 1.3 eV. In FIG. 11, the structure (a) shows a metallic property that the current amount increases linearly from 0 V with respect to the bias voltage, whereas the structure (b) almost increases the current amount below the bias voltage of about 1 V. In addition, it shows a semiconductor property in which the current amount increases linearly with the bias voltage thereafter, and it can be confirmed that the current-voltage characteristic of the ideal channel region can be well predicted in this embodiment.
[第2の実施例]
図12は、第2の実施例における電気伝導計算の構造モデル10aを示す図である。第2実施例では、チャネル領域12がN=7のグラフェンナノリボンでエッジが全て水素終端されている構造(構造(b))とエッジが全てフッ素終端されている構造(構造(c))の2種類の構造について、上述の手順(1)から(6)に従って電流電圧特性を計算する。構造(b)は第1の実施例と同じである。
[Second Embodiment]
FIG. 12 is a diagram showing a
手順(1)において、入力パラメータ取得部31によって、構造(b)、構造(c)のチャネル領域12として、NC=7のアームチェア型グラフェンナノリボンを含む入力パラメータ41が記憶部130に記憶される。構造(b)において、エッジは全て水素終端し、構造(c)において、エッジは全てフッ素終端する。
In the procedure (1), the input
手順(2)以降の処理は、第1の実施例と同様であるので、その説明を省略する。 Since the processing after the procedure (2) is the same as that of the first embodiment, the description thereof is omitted.
このようにして得られた電流電圧特性を図13に示す。図13は、第2の実施例における電流電圧特性の計算結果の比較例を示す図である。図13中、縦軸に電流量(μA)を示し、横軸にバイアス電圧Vb(V)を示す。 The current-voltage characteristics thus obtained are shown in FIG. FIG. 13 is a diagram showing a comparative example of calculation results of current-voltage characteristics in the second embodiment. In FIG. 13, the vertical axis indicates the amount of current (μA), and the horizontal axis indicates the bias voltage V b (V).
図13から、エッジをフッ素終端すると、水素終端の場合に比べて電流量の増大が始まるバイアス電圧が低くなり、電流量も増加することが分かる。このように、本実施の形態に係る電気伝導特性予測装置100によって、エッジの終端の違いが電流電圧特性に及ぼす影響を予測することも可能であり、電子装置のチャネル領域に用いるグラフェンナノリボンの設計に有用である。
From FIG. 13, it can be seen that when the edge is terminated with fluorine, the bias voltage at which the amount of current starts increasing is lower than that in the case of hydrogen termination, and the amount of current also increases. As described above, the electric conduction
本発明は、具体的に開示された実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。 The present invention is not limited to the specifically disclosed embodiments, and various modifications and changes can be made without departing from the scope of the claims.
以上の第1及び第2の実施例を含む実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
(付記1)
コンピュータによって実行される非平衡グリーン関数法に基づいた電気伝導特性予測方法であって、
エッジが水素終端されたアームチェア型グラフェンナノリボンにアームチェア方向に引っ張り歪みを加えた電極の構造データを作成して記憶部に記憶し、
前記記憶部に記憶された前記電極の構造データを用いて、前記電極で解析対象の系となるチャネル領域を挟み込んだ構造モデルを作成する
ことを特徴とする電気伝導特性予測方法。
(付記2)
前記構造モデルにおいて挟み込まれるチャネル領域の構造はグラフェンナノリボンであることを特徴とする付記1記載の電気伝導特性予測方法。
(付記3)
前記電極のリボン幅周期をN=3m0−1(m0は整数)で表して、前記チャネル領域のリボン幅周期に最も近くなるm0を特定して、該電極のリボン幅周期Nを決める
ことを特徴とする付記2記載の電気伝導特性予測方法。
(付記4)
前記電極に対して加えるアームチェア方向の前記引っ張り歪みの量を、前記電極のバンドギャップがゼロ近傍内となる歪みの量と、前記電極のリボン幅周期に関するm0との関係を表す関係式を用いて計算し、
前記計算した引っ張り歪みの量に応じて、前記電極のアームチェア方向のユニットセルサイズを広げ、
前記広げたユニットセルサイズに基づいて、前記電極の原子座標を決定し、
前記決定された前記電極の原子座標で表される構造データを前記記憶部に記憶する
ことを特徴とする付記3記載の電気伝導特性予測方法。
(付記5)
前記記憶部に格納された前記構造モデルを用いて、1つのk点で、前記チャネル領域の電気伝導特性を予測する付記1乃至4のいずれか一項記載の電気伝導特性予測方法。
(付記6)
エッジが水素終端されたアームチェア型グラフェンナノリボンにアームチェア方向に引っ張り歪みを加えた電極の構造データを作成して記憶部に記憶し、
前記記憶部に記憶された前記電極の構造データを用いて、前記電極で解析対象の系となるチャネル領域を挟み込んだ構造モデルを作成し、
前記作成した構造モデルを用いて、非平衡グリーン関数法に基づいて、前記チャネル領域の電気伝導特性を予測する
処理をコンピュータに実行させる電気伝導特性予測プログラム。
(付記7)
解析対象の系となるチャネル領域の構造データを記憶する記憶部と、
前記記憶部に記憶された前記チャネル領域の構造データに基づいて、エッジが水素終端されたアームチェア型グラフェンナノリボンにアームチェア方向に引っ張り歪みを加えた電極の構造データを作成し、該作成した構造データを用いて、前記電極で前記チャネル領域を挟み込んだ構造モデルを作成する構造モデル作成部と、
前記構造モデル作成部によって作成された構造モデルを用いて、非平衡グリーン関数法に基づいて、前記チャネル領域の電流値を算出することによって電気伝導特性を予測する算出部と
を有することを特徴とする電気伝導特性予測装置。
Regarding the embodiment including the first and second examples, the following additional notes are disclosed.
(Appendix 1)
An electrical conduction property prediction method based on a nonequilibrium Green's function method executed by a computer,
Create and store in the storage unit the electrode structure data of the armchair graphene nanoribbons with hydrogen-terminated edges and tensile strain in the armchair direction,
A method for predicting electrical conduction characteristics, wherein a structural model is created by sandwiching a channel region to be an analysis target system with the electrodes, using the structural data of the electrodes stored in the storage unit.
(Appendix 2)
The electrical conduction characteristic prediction method according to
(Appendix 3)
The ribbon width period of the electrode is represented by N = 3m 0 −1 (m 0 is an integer), m 0 closest to the ribbon width period of the channel region is specified, and the ribbon width period N of the electrode is determined. The method for predicting electrical conduction characteristics according to
(Appendix 4)
The relational expression expressing the amount of the tensile strain in the armchair direction applied to the electrode, the relationship between the amount of strain at which the band gap of the electrode is in the vicinity of zero and m 0 related to the ribbon width period of the electrode. Calculated using
In accordance with the calculated amount of tensile strain, the unit cell size of the electrode in the armchair direction is expanded,
Determining the atomic coordinates of the electrode based on the expanded unit cell size;
The electrical conduction characteristic prediction method according to
(Appendix 5)
The electrical conduction characteristic prediction method according to any one of
(Appendix 6)
Create and store in the storage unit the electrode structure data of the armchair graphene nanoribbons with hydrogen-terminated edges and tensile strain in the armchair direction,
Using the electrode structure data stored in the storage unit, create a structure model sandwiching a channel region to be analyzed by the electrode,
An electrical conduction characteristic prediction program for causing a computer to execute a process of predicting an electrical conduction characteristic of the channel region based on a nonequilibrium green function method using the created structural model.
(Appendix 7)
A storage unit for storing the structure data of the channel region to be analyzed;
Based on the structure data of the channel region stored in the storage unit, the structure data of the electrode is created by applying tensile strain in the armchair direction to the armchair graphene nanoribbon whose edges are hydrogen-terminated. Using the data, a structural model creation unit that creates a structural model with the channel region sandwiched between the electrodes,
A calculation unit that predicts electrical conduction characteristics by calculating a current value of the channel region based on a nonequilibrium green function method using the structural model created by the structural model creation unit; Electrical conductivity characteristic prediction device.
10、10a 構造モデル
11、11a 電極
12 チャネル領域
21 ユニットセル
22 炭素原子
23 水素原子
31 入力パラメータ取得部
32 構造モデル作成部
33 電流電圧特性算出部
51 CPU
52 主記憶装置
53 補助記憶装置
54 入力装置
55 表示装置
56 出力装置
57 通信I/F
58 ドライブ
59 記憶媒体
100 電気伝導測定予測装置
DESCRIPTION OF
52
58
Claims (5)
エッジが水素終端されたアームチェア型グラフェンナノリボンにアームチェア方向に引っ張り歪みを加えた電極の構造データを作成して記憶部に記憶し、
前記記憶部に記憶された前記電極の構造データを用いて、前記電極で解析対象の系となるチャネル領域を挟み込んだ構造モデルを作成する
ことを特徴とする電気伝導特性予測方法。 An electrical conduction property prediction method based on a nonequilibrium Green's function method executed by a computer,
Create and store in the storage unit the electrode structure data of the armchair graphene nanoribbons with hydrogen-terminated edges and tensile strain in the armchair direction,
A method for predicting electrical conduction characteristics, wherein a structural model is created by sandwiching a channel region to be an analysis target system with the electrodes, using the structural data of the electrodes stored in the storage unit.
ことを特徴とする請求項2記載の電気伝導特性予測方法。 The ribbon width period of the electrode is represented by N = 3m 0 −1 (m 0 is an integer), m 0 closest to the ribbon width period of the channel region is specified, and the ribbon width period N of the electrode is determined. The method for predicting electrical conduction characteristics according to claim 2.
前記計算した引っ張り歪みの量に応じて、前記電極のアームチェア方向のユニットセルサイズを広げ、
前記広げたユニットセルサイズに基づいて、前記電極の原子座標を決定し、
前記決定された前記電極の原子座標で表される構造データを前記記憶部に記憶する
ことを特徴とする請求項3記載の電気伝導特性予測方法。 The relational expression expressing the amount of the tensile strain in the armchair direction applied to the electrode, the relationship between the amount of strain at which the band gap of the electrode is in the vicinity of zero and m 0 related to the ribbon width period of the electrode. Calculated using
In accordance with the calculated amount of tensile strain, the unit cell size of the electrode in the armchair direction is expanded,
Determining the atomic coordinates of the electrode based on the expanded unit cell size;
4. The method according to claim 3, wherein structure data represented by the determined atomic coordinates of the electrode is stored in the storage unit.
前記記憶部に記憶された前記電極の構造データを用いて、前記電極で解析対象の系となるチャネル領域を挟み込んだ構造モデルを作成し、
前記作成した構造モデルを用いて、非平衡グリーン関数法に基づいて、前記チャネル領域の電気伝導特性を予測する
処理をコンピュータに実行させる電気伝導特性予測プログラム。 Create and store in the storage unit the electrode structure data of the armchair graphene nanoribbons with hydrogen-terminated edges and tensile strain in the armchair direction,
Using the electrode structure data stored in the storage unit, create a structure model sandwiching a channel region to be analyzed by the electrode,
An electrical conduction characteristic prediction program for causing a computer to execute a process of predicting an electrical conduction characteristic of the channel region based on a nonequilibrium green function method using the created structural model.
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