Mathematical modelling of field emission characteristics of nanostructures

Abstract

Изучение эмиссионных характеристик наноструктур чрезвычайно важно в перспективе создания новых типов электронных приборов. Предполагается, что использование полевых эмиттеров на основе нанотрубок позволит получать значительные в сравнении с другими источниками эмиссионные токи при относительно невысоких значениях приложенного напряжения. Такая возможность существует благодаря высокому соотношению их геометрических размеров. Работа посвящена теоретическому исследованию влияния внешнего электрического поля на различные идеальные структуры открытых одностенных нанотрубок углерода и карбида кремния. Методом решения является теория функционала электронной плотности с градиентным приближением для обменно-корреляционного функционала (B3LYP). Начальное приближение сформировано в базисе 6-31g. Влияние внешнего электрического поля на объекты изучения оценивалось по изменениям распределения электронной плотности в структурах, плотности тока эмиссии, полных электронных энергий, дипольных моментов и ширины запрещённых зон. Из теоретических расчётов были найдены значения тока эмиссии, соответствующие каждой модели. Качественный характер изменения плотности эмиссионного тока отвечает ожидаемому по экспериментальным данным результату. С точки зрения эмиссионных характеристик наиболее выгодной оказалась нанотрубка карбида кремния. Также на основе анализа зонной структуры объектов сделан вывод, что вне зависимости от конфигурации углеродные нанотрубки должны обладать полупроводниковым типом проводимости.

Studying emission characteristics of nanotubes is extremely important for development of electronics. Compared to other electron sources, nanotube-based field emitters allow obtaining significant emission currents at relatively low values of the applied field. It is possible due to their unique structure. The main reason why carbon and silicon carbide nanotubes are promising emitters is large aspect ratio. This paper is devoted to theoretical investigation how external electric field effects several samples of open single-wall nanotubes from carbon and silicon carbide. Density functional theory with hybrid functional for exchange-correlation term approximation (B3LYP) provides the solution. Initial wave function is formed by 6-31g basis set. The influence of external electric field can be estimated by changes of electron density distributions, current emission densities, total energies, dipole moments and band gaps. From the theoretical calculations we found values of current emission densities for all structures. In terms of emission characteristics the most expedient is silicon carbide structure. It was concluded from band structure analysis that carbon nanotubes should be semiconductors in any configurations.