Ключевые слова: Автоэлектронная эмиссия, первопринципный подход, теория функционала плотности, вакуумная наноэлектроника, наноразмерный вакуумный зазор, квантово-размерные эффекты, численное моделирование.
Аннотация
В настоящее время большое внимание исследователей уделяется разработке вакуумных наноэлектронных приборов на основе автоэмиссионных наноструктур с вакуумным каналом проводимости (наноразмерным вакуумным зазором), обладающих высокой рабочей частотой (от десятков до сотен ГГц) и устойчивостью к воздействию радиации и температуры. По мере уменьшения ширины зазора в область ниже 10 нм при их проектировании важной задачей становится выбор корректной теоретической модели, достоверно описывающей баллистический транспорт электронов через зазор с учётом кристаллического строения материала электродов и особенностей протекания автоэлектронной эмиссии в наномасштабе. В работе описан первопринципный подход к моделированию металлических двухэлектродных систем с суб-10 нм вакуумным зазором, основанный на теории функционала плотности. На базе данного подхода проведена оценка работы выхода различных материалов эмиттера (W, Mo, Pt), и выполнено сравнение полученных теоретических значений с экспериментальными (расхождение не превышает 2%). В рамках первопринципной модели рассчитаны вольт-амперные характеристики структуры Pt-вакуум-Pt с длиной вакуумного канала ниже 5 нм, и выявлены характерные отличия первопринципного подхода от классического формализма Фаулера-Нордгейма, не учитывающего атомарную структуру эмиссионной поверхности. Полученные результаты могут быть полезны для технологической реализации новой элементной базы вакуумных наноустройств, применимых в космической отрасли, сверхбыстрой радиоэлектронике и телекоммуникационных системах.
Keywords: Field-electron emission, first-principles approach, density functional theory, vacuum nanoelectronics, nanoscale vacuum gap, quantum-size effects, numerical simulation
Abstract
Nowadays, much attention is paid to the development of vacuum nanoelectronic devices based on field-emission nanostructures with a vacuum conduction channel (nanoscale vacuum gap), which have high operating frequency (from tens to hundreds of GHz) and resistance to radiation and temperature. As the gap width decreases below 10 nm, an important task in their design is to select a correct theoretical model that reliably describes the ballistic transport of electrons through the gap taking into account the crystalline structure of the electrode material and the features of the field-electron emission at the nanoscale. In this work, a first-principles approach for simulation of metallic two-electrode systems with a sub-10 nm vacuum gap based on the density functional theory is described. Using this approach, the work function of different emitter materials (W, Mo, Pt) was estimated, and the obtained theoretical values were compared with the experimental ones (the discrepancy does not exceed 2%). Within the framework of the first-principles model, the current-voltage characteristics of the Pt-vacuum-Pt structure with a vacuum gap width below 5 nm were calculated, and characteristic differences of the first-principles approach from the classical Fowler-Nordheim formalism, which does not take into account the atomic structure of the emission surface, are revealed. The obtained results can be useful for the technological implementation of a new element base of vacuum nanodevices applicable in the space industry, ultra-fast radio electronics and telecommunication systems.
[ Full text ]