Σχεδιασμός ολοκληρωμένων κυκλωμάτων γραφενίου χαμηλής ισχύος

Abstract

Rectangular graphene nanoribbons with two contacts have been studied extensively as parts of several nanoelectronic devices. L-shaped and T-shaped graphene nanoribbons received a little or no attention until now. At first, we present computations of the conductance of L-shaped graphene nanoribbons with two contacts and of T-shaped graphene nanoribbons with three contacts. We used tight-binding Hamiltonians and non-equilibrium Green’s functions to compute their conductance. Secondly, we propose, design and simulate an AND, an OR and a NOT logic gate and use tight-binding Hamiltonians and non-equilibrium Greens functions to show that these designs can reproduce effectively the desired logic operations. We use rectangular L-shaped graphene nanoribbons as a building block for graphene logic gates. Electrons are initially transported along the zigzag edged nanoribbon and then the transport direction changes by 90 degrees, resulting in transport along the armchair edge. Our computations showed that electron scattering, because of this change in direction causes the appearance of a pseudo-bandgap, which is large enough for logic operations.Furthermore, we present the design and simulation of a graphene Majority logic gate which can be fabricated on one side of the graphene sheet leaving the other free so that the gate can be brought into contact with biological tissue. Graphene majority gates can also operate as AND or OR gates giving rise to new carbon-based nanoelectronic devices for biomedical circuits. Finally, graphene nanoribbons with magnetic contacts have been studied. The operation of graphene nanoribbons with magnetic contacts at room temperature, where nanoelectronic devices and circuits are expected to operate, has received little attention. We study and simulate the operation of graphene nanoribbons with magnetic contacts using tight-binding Hamiltonians and the non-equilibrium Green’s functions (NEGF) method, which we extend to incorporate the effect of magnetic contacts.

Κατά την έναρξη της έρευνας, διαπιστώθηκε η μεταβολή της αντίστασης των αγωγών του γραφενίου όταν αλλάζει η διεύθυνση της ροής των ηλεκτρονίων. Δηλαδή μπορεί να προκύψει μηδενική αγωγιμότητα γύρω από την στάθμη Fermi με μία διακλάδωση στην νανοταινία γραφενίου με την οποία προκύπτουν δομές τύπου L ή T. Η ιδιότητα αυτή οδήγησε στoν σχεδιασμό και την προσομοίωση των τριών βασικών λογικών πυλών AND, OR και NOT οι οποίες είναι κατασκευασμένες από νανοταινίες γραφενίου. Από την εργασία αυτή διαπιστώθηκε ότι ο συνδυασμός των Χαμιλτονιανών στενού δεσμού με τις μη-ισορροπημένες συναρτήσεις Green (NEGF) είναι η κατάλληλη μέθοδος για τον σχεδιασμό και την προσομοίωση νανοηλεκτρονικών διατάξεων και κυκλωμάτων γραφενίου. Το γεγονός ότι οι τάσεις που χρησιμοποιούνται για να αναπαραστήσουν τα λογικά «0» και «1» είναι της ίδιας τάξης μεγέθους με τις τάσεις των κυκλωμάτων CMOS επιτρέπει τον σχεδιασμό και την κατασκευή υβριδικών κυκλωμάτων γραφενίου/CMOS. Ιδιαιτέρως σημαντικό συμπέρασμα είναι ότι τα κυκλώματα γραφενίου θα μπορούν να ενσωματωθούν μέσα σε βιολογικό ιστό και θα μπορούν να συνδεθούν με κυκλώματα CMOS τα οποία μπορούν να βρίσκονται μακριά από τον ιστό. Επιπλέον, η δομή και των τριών πυλών γραφενίου είναι παρόμοια, επειδή αποτελείται από τρεις ή δύο παράλληλους κλάδους νανοταινίας με άκρα zigzag που συγκλίνουν σε έναν κλάδο τύπου armchair. Αυτή η ιδιότητα θα διευκολύνει εξαιρετικά την κατασκευή λογικών πυλών γραφενίου και ψηφιακών κυκλωμάτων γραφενίου. Ορίζοντας λοιπόν την κατάλληλη επαναχρησιμοποιούμενη δομή των λογικών πυλών γραφενίου, μειώθηκε σημαντικά ο παραμετρικός χώρος για την κατασκευή και την ανάπτυξή τους. Ακόμη, εμπλουτίστηκε η ομάδα των πυλών με τον σχεδιασμό και την προσομοίωση της πύλης πλειοψηφίας γραφενίου. Αυτή χαρακτηρίζεται από την ιδιότητα της καθολικότητας και εξαιτίας της ιδιαίτερης φύσης της μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνη ή να αντικαταστήσει τις βασικές πύλες στα κυκλώματα. Οι υπολογισμοί των αγωγιμοτήτων των λογικών πυλών γραφενίου έδειξαν ότι τα ψηφιακά κυκλώματα γραφενίου απαιτούν πολύ χαμηλή ισχύ για την λειτουργία τους, πράγμα που οφείλεται στην πολύ μεγάλη ευκινησία των φορέων. Μελετήθηκαν σχεδιάστηκαν και προσομοιώθηκαν τρεις καινοτόμες νανοηλεκτρονικές διατάξεις που αποτελούνται από μία νανοταινία γραφενίου με μαγνητικές επαφές. Επεκτάθηκε η μέθοδος NEGF για να συμπεριλάβει την επίδραση των μαγνητικών επαφών στην λειτουργία των διατάξεων. Προσομοιώθηκαν οι λειτουργίες των διατάξεων και υπολογίστηκε αναλυτικά ο παραμετρικός χώρος που περιλαμβάνει το δυναμικό της άνω πύλης, το δυναμικό της κάτω πύλης και την γωνία μεταξύ των μαγνητικών πολώσεων των επαφών. Επιπλέον μελετήθηκε η εξάρτηση της αγωγιμότητας των διατάξεων από το πλάτος της νανοταινίας γραφενίου, το οποίο είναι μία πρόσθετη παράμετρος, αφού διατάξεις με διαφορετικά πλάτη μπορούν να χρησιμοποιηθούν στο ίδιο κύκλωμα. Ακόμη μελετήθηκε η επίδραση των ατελειών του πλέγματος του γραφενίου στην απόδοση των διατάξεων. Τα αποτελέσματά έδειξαν ότι οι προτεινόμενες διατάξεις έχουν έναν ασυνήθιστα πλούσιο παραμετρικό χώρο και μπορεί να χρησιμοποιηθούν ως δομικός λίθος για μία ποικιλία νανοηλεκτρονικών διατάξεων και κυκλωμάτων. Αναπτύχθηκε ένα πλήρες εργαλείο σχεδιασμού και προσομοίωσης νανοηλεκτρονικών κυκλωμάτων γραφενίου το οποίο διαθέτει λειτουργική διεπαφή χρήστη και δόθηκαν οι οδηγίες χρήσης. Το γραφένιο είναι ένα νέο υλικό με εξαιρετικές ηλεκτρονικές ιδιότητες και μπορεί να αποτελέσει το υλικό κατασκευής και ανάπτυξης νέων νανοηλεκτρονικών κυκλωμάτων. Η μέθοδος NEGF επιτρέπει την ανάπτυξη εργαλείων αυτοματοποιημένου σχεδιασμού των νανοηλεκτρονικών κυκλωμάτων γραφενίου, κατ΄ αναλογία με τα εργαλεία αυτοματοποιημένου σχεδιασμού κυκλωμάτων CMOS. Επίσης είναι δυνατή η ανάπτυξη υβριδικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων γραφενίου/CMOS.