Quantum-transport analysis of transistors based on nanoribbons of novel 2D materials

disertacija

• Naslov (hrvatski): Kvantnotransportna analiza tranzistora temeljenih na nanovrpcama novih 2D materijala
• Autor: Mislav Matić
• Mentor: Mirko Poljak (mentor)
• Član povjerenstva: Marko Koričić (predsjednik povjerenstva)
• Član povjerenstva: Tomislav Marković (član povjerenstva)
• Član povjerenstva: Ivor Lončarić (član povjerenstva)
• Ustanova koja je dodijelila akademski / stručni stupanj: Sveučilište u Zagrebu; Fakultet elektrotehnike i računarstva; (Zavod za elektroniku, mikroelektroniku, računalne i inteligentne sustave); Zagreb
• Datum i država obrane: 2024-10-25, Hrvatska
• Znanstveno / umjetničko područje, polje i grana: TEHNIČKE ZNANOSTI; Elektrotehnika
• Univerzalna decimalna klasifikacija (UDC): 621.3 - Elektrotehnika

Sažetak

The development and optimization of future logic electron devices strongly relies on novel materials and device architectures. One of the most promising research paths is presented by 2D materials patterned into quasi-one-dimensional (1D) nanostructures known as nanoribbons. The aim of this dissertation was to develop an ab initio quantum transport method to assess the potential of quasi-1D materials for future extremely-scaled field-effect transistors (FETs). The investigated materials include armchair (AC) and zigzag (ZZ) nanoribbons of MX2-enes (MX2NRs) with M = {Hf, Zr} and X = {S, Se}, AC and ZZ nanoribbons of monolayer germanium sulfide (GeSNRs), as well as nanoribbons of monolayer molybdenum disulfide (MoS2NRs). The ab initio quantum transport study is performed using density functional theory (DFT) and maximally localized Wannier functions (MLWFs) to obtain the electronic structure and device Hamiltonians. The obtained atomistic Hamiltonians are coupled with the non-equilibrium Green’s function (NEGF) formalism-based numerical solver for quantum transport simulations of FETs. The thesis investigated the performance of nanoribbon FETs in detail and supported the findings by examining the electronic and transport properties of these nanostructures. The results showed that nanostructured Hf- and Zr-based MX2-enes and GeS present a promising platform for future ultra-scaled high-performance logic devices.

Sažetak (hrvatski)

Razvoj i optimizacija logičkih elektroničkih elemenata oslanja se na nove materijale i arhitekture elemenata. Jedan od najperspektivnijih pravaca istraživanja novih elemenata je primjena 2D materijala oblikovanih u kvazi-jednodimenzionalne (kvazi-1D) nanostrukture, nazvane nanovrpcama. Cilj ove doktorske disertacije bio je razviti metodu temeljenu na ab initio kvantnotransportnom izračunu kako bi se istražio potencijal kvazi-1D materijala za ekstremno skalirane tranzistore s efektom polja (engl. field-effect transistor, FET). Materijali čiji se potencijal istraživao uključuju armchair (AC) i zigzag (ZZ) nanovrpce MX2-ena (MX2NR) s M = {Hf, Zr} i X = {S, Se}, AC i ZZ nanovrpce germanij-sulfida (GeSNR), kao i nanovrpce molibden-disulfida (MoS2NR). Ab initio kvantnotransportne simulacije izvedene su korištenjem teorije funkcionala gustoće (DFT) i maksimalno lokaliziranih Wannierovih funkcija (MLWF) za dobivanje elektronske strukture i hamiltonijana nanovrpci. Dobiveni hamiltonijani povezani su sa numeričkim simulatorom kvantnog transporta koji se temelji na formalizmu Greenove funkcije izvan ravnoteže (NEGF) za simulaciju FET-ova. U disertaciji su detaljno istražene performanse FET-ova temeljenih na nanovrpcama, a dobiveni rezultati su objašnjeni analizom elektronskih i transportnih svojstva istraživanih nanostruktura. Rezultati istraživanja pokazuju da su nanostrukturirani GeS te MX2-eni temeljeni na hafniju i cirkoniju materijali s obećavajućim svojstvima za buduće ultra-skalirane logičke elemente visokih performansi.

• Ključne riječi: two-dimensional (2D) materials; one-dimensional (1D); quasi-1D; nanoribbon; density functional theory (DFT); maximally localized Wannier functions (MLWFs); quantum transport; non-equilibrium Green’s function (NEGF) formalism; ballistic transport; top-of-the-barrier (TOB) model
• Ključne riječi (hrvatski): dvodimenzionalni (2D) materijali; jednodimenzionalno (1D); kvazi-1D; nanovrpca; teorija funkcionala gustoće (DFT); maksimalno lokalizirane Wannierove funkcije (MLWF); kvantni transport; formalizam Greenovih funkcija izvan ravnoteže (NEGF); balistički transport; model vrha barijere (TOB)
• Jezik: engleski
• URN:NBN: urn:nbn:hr:168:072309
• Datum promocije: 2025
• Studijski program: Naziv: Elektrotehnika; Vrsta studija: sveučilišni; Stupanj studija: poslijediplomski znanstveni (doktorski); Akademski / stručni naziv: doktor/doktorica znanosti, po-dručje tehničkih znanosti (dr. sc.)
• Vrsta resursa: Tekst
• Opseg: 119 str.
• Način izrade datoteke: Izvorno digitalna
• Prava pristupa: Otvoreni pristup
• Datum i vrijeme pohrane: 2025-01-29 12:39:35