63
Евгений Пузырёв Sokrates T. Pantelides group Университет Вандербильт, Теннесси США SiO 2 Graphene Collaborators Kalman Varga, Kirill Bolotin, Physics & Astronomy Vanderbilt University Dan Fleetwood, Ron Schrimpf, EECS Vanderbilt University Umesh Mishra, EECS University of California At Santa Barbara Xiaoguang Zhang, CNMS, G. E. Ice, MST, Oak Ridge National Lab and many more others

лекция 1 обзор методов вычислительной физики

  • Upload
    luckyph

  • View
    184

  • Download
    2

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

Евгений Пузырёв Sokrates T. Pantelides groupУниверситет Вандербильт,

Теннесси США

SiO2 Graphene

Collaborators

Kalman Varga, Kirill Bolotin, Physics & Astronomy Vanderbilt UniversityDan Fleetwood, Ron Schrimpf, EECS Vanderbilt UniversityUmesh Mishra, EECS University of California At Santa BarbaraXiaoguang Zhang, CNMS, G. E. Ice, MST, Oak Ridge National Lab and many more others

Page 2: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

1. Обзор методов вычислительной физики Много-масштабное моделирование: от дефектов к ошибкам в приборах

2. Локальная структура металлических сплавов: диффузионное рассеяние и атомные смещения.

3. Дефекты в полупроводниках и поведение приборов: GaN, SiC и AlSb.

4. Проблемы функциональности материалов для мемристора TiO2 и ZnO.

5. Графен,- материал будущего или поиск ниши для применения.

Page 3: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

Практическое применение функционала плотностиМного-масштабное моделирование

Page 4: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

Основные методы много-масштабного моделирования 

I Применение функционала плотности1. Расчеты возбужденных состояний 10-100 атомов 

а) Ширина запрещенной зоныб) Положение электронного уровня дефекта

LDA+UHybrid functionalGW, absorption spectrum T(100 atoms) = 100 000 MPP

2. Расчеты из первых принципов 100-1000 атомовa) Атомные координаты и электронная 

      б) ПроводимостьLDA (VASP,  Quantum ESPRESSO, SIESTA)

II Применение полу-эмпирических потенциаловМолекулярная динамика и расчеты методом Монте-Карло 10000-1000000 атомовКлассическая механика (LAMMPS, NAMD)

Page 5: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

Introduction: Ion-Induced Leakage Currents

Metallization burnout after SEGR

Heavy-Ion strikes degrade or destroy dielectric layers

Lum, et al., IEEE TNS 51 3263 (2004)

Massengill, et al., IEEE TNS 48 1904 (2001)

I-V following biased irradiation of 3.3 nm SiO2 capacitors

Distinct Electrical degradation modes:

Rupture (Hard breakdown, HB)

Soft breakdown (SB)

Long-term reliability degradation (LTRD)

Page 6: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

TRIM Calculations:

Sample geometry:

Only atomic recoils occurring IN the SiO2 layer!

High-LET ions generate O(100) eV recoils in thin oxide layers!

Отдача при низких энергиях

Page 7: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

Methods

• Quantum Mechanical MD– DFT-LDA for energy and forces– Classical mechanics for ions– Cell sizes:  200-1000 atoms– Calculation times:  0-1000 fs

• Quantum Mechanical Transport Calculations– Complex-valued potentials at boundaries as “source” and “sink”– Non-equilibrium Green’s function method for transport properties– Orbital basis set: LaGrange functions

• Percolation Theory– Mott defect-to-defect tunneling– Node-to-node percolation model

Dynamical atomic and electronic structures

Fully QM transport calculations for underlying transport physics

Physically motivated, QM and experimentally parameterized model for 

realistic device structures!

Page 8: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

Beck, et al., IEEE TNS 55, 3025 (2008)

QM Dynamics

Arbitrary Materials System

Materials ResponseDefect Structure

QM Transport

Arbitrary Device geometry

I-V Characteristics

(~1 nm)

Ab Initio calculation of experimentally measureable device properties!

Percolation Transport

(~0.1 micron)

Много-масштабное моделирование: От дефектов к  ошибкам в приборах

Time-dependent atomic and electronic structure

Page 9: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

Вычислительный Метод Молекулярная динамика из первых пртципов

• Применение функционала плотности– DFT-LDA for energy and forces

• Классическая механика для атомных смещений• Размер ячейки  200-1000 атомов• Время 0-1000 fs

Apply KE to primary atom…

…evolve system!

Highest fidelity for bond-breaking/forming during 

low-energy events

Atomic AND electronic structure!

Page 10: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

Отдача при низких энергиях

0 29 58 femtoseconds after recoil

1

0

…Correlates with formation of electronic defect states in band gap!

Beck, et al., IEEE TNS 55, 3025 (2008)

Page 11: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

Beck, et al., IEEE TNS 55, 3025 (2008)

Current Results: Multi-scale Model

QM Dynamics

Arbitrary Materials System

Materials ResponseDefect Structure

QM Transport

Arbitrary Device geometry

I-V Characteristics

(~1 nm)

Ab Initio calculation of experimentally measureable device properties!

Percolation Transport

(~0.1 micron)

Time-dependent atomic and electronic structure

Time-dependent atomic and electronic structure

Page 12: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

Nikolai Sergueev

Defect:  single oxygen vacancy

defect

EF

Page 13: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

Nikolai Sergueev

0 2.0Cu

rren

t (µA

)

1.5

1.0

0.5

0 0.5 1.0 1.5Bias voltage (V)

2.0

Transport energy window

from -Vb/2 to +Vb/2

EF

Defect:  single oxygen vacancy

Page 14: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

Nikolai Sergueev

16.24 Å

16.2

4 Å

556 atoms in scattering region

Creating defects in a-SiO2

Number of oxygen to be removed: from 1 to 6

12

3

4

6

5

Amorphous SiO2 leakage currents

Page 15: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

Nikolai Sergueev

Theoretical formalism

Tuning the model: crystalline SiO2 system

Leakage currents in thin amorphous SiO2

a-SiO2

Bias voltage Vb

Electrode Electrode

Mol. Dyn. QM Calculationsstructure

First Principles Transport QM Model

Page 16: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

Nikolai Sergueev

Density Functional Theory + “Source and sink” method 

Infinitesystem

Finitesystem

…a-SiO2…

a-SiO2

Conventional transport methods: scattering  theory, open infinite system

complex potential complex potential

Our formalism:

K. Varga and S.T. Pantelides, PRL 98, 076804 (2007)

Source Sink

Page 17: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

Nikolai Sergueev

Solve diagonalization problem:  

Compute Green’s functions:

Calculate charge density:

Compute leakage current:

W=Wsource+Wsink

Flow-chart:

Page 18: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

Nikolai Sergueev

Initial model calculations

Crystalline SiO2 –  computationally fast

d

SiO2Al (100) Al (100)

How does conductance of SiO2 depend on oxide thickness d ?

Can we compute device related property ?

Page 19: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

Nikolai Sergueev

Conductance versus thickness of SiO2

Conductance: exponential dependence as expected from tunneling

Not defected structure yet! 

Page 20: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

Nikolai Sergueev

Applying bias voltage across the device …

M. Fukuda et al, Jpn. J. Appl. Phys. (1998)

105

0 0.5 1.0 1.5 2.0Bias voltage (V)

Curr

ent (

A/cm

2 ) 108

107

106

104

103

1090.54 nm

0.8 nm1.07 nm

1.35 nm

1.61 nm

Calculations 

SiO2

EF Al Al ~ 4.5 eV

We used standard Hamiltonian

Experiment 

Page 21: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

Nikolai Sergueev

Our formalism allows:--- not only to compute current and conductance

--- but also to analyze the transport mechanism

PDOS – density of states that has an amplitude on oxide atomsTransmission – describes the tunneling efficiency

Oxide statesEF

Page 22: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

Nikolai Sergueev

Energy (eV)

Tran

smis

sion

Energy (eV)

Tran

smis

sion

1

2

3

4

5

6

Increasing number of defects …

Page 23: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

Nikolai SergueevBias voltage (V)

Curr

ent (

µA)

1 defect

Page 24: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

Nikolai SergueevBias voltage (V)

Curr

ent (

µA)

2 defects

Page 25: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

Nikolai SergueevBias voltage (V)

Curr

ent (

µA)

3 defects

Page 26: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

Nikolai SergueevBias voltage (V)

Curr

ent (

µA)

4 defects

Page 27: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

Nikolai SergueevBias voltage (V)

Curr

ent (

µA)

5 defects

Page 28: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

Nikolai SergueevBias voltage (V)

Curr

ent (

µA)

6 defects

Page 29: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

Results:  QM Transport Calculations

Individual defects…

QM Tunneling Probability:              Convolution of 

electronic DOS and spatial information

…introduce defect states with specific energy levels and localizations

Al Ala-SiO2

QM calculated I-V characteristics showing activation of discrete tunneling paths!

Page 30: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

Nikolai Sergueev

the defects result in the step-like functions of the IV  

 conductance vs. oxide thickness dependence is correct  

current increases with number of defects

We performed first principles quantum mechanical transport calculations and we obtained the following:

Going from atomic-scale to mesoscale  description …  

current-voltage dependence  qualitatively agrees with experiment 

First Principles Transport QM Model Percolation Model parameters

Page 31: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

Beck, et al., IEEE TNS 55, 3025 (2008)

Current Results: Multi-scale Model

QM Dynamics

Arbitrary Materials System

Materials ResponseDefect Structure

QM Transport

Arbitrary Device geometry

I-V Characteristics

(~1 nm)

Ab Initio calculation of experimentally measureable device properties!

Percolation Transport

(~0.1 micron)

Time-dependent atomic and electronic structure

Page 32: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

Results:  Percolation Model

Parameterize defect atoms with:Position

Eigenvalue From QM MD calculation

From QM DOS calculation

Defect levels from SHI-induced defects! 

Page 33: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

Mott defect-to-defect tunneling 

 S. Simeonov et al. Physica Status Solidi, 13, 2004

ri – defect positionE – external fieldεi - energy level relative to EF

σi – site occupancy, [0, 1], at boundary σ=0.5ν0- Mott’s escape frequency

DOS

Defects

Iterative procedure for occupancies until Δσi < 10-7

J = ν0Σij(σiboundary-σj)

ν0 = 1.15 × 1013 s–1

Page 34: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

Defect-to-defect tunneling 

E

DOSDefects

time = 78fs22 defects

L

• L =1.4 nm • Defect energy levels• Defect atomistic map  ri, εi ,σi

Page 35: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

Defect-to-defect tunneling 

ri, εi ,σi

Page 36: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

Leakage Current Temperature Dependence

-20.0               -10.0                 0.0                  10.0                 20.0                                                qE, MV/cm    

                          Current, nA

-6        -4        -2          0          2          4

Page 37: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

Leakage Current Time Dependence                          Current, nA

-2             0              2             4              6

-10.0          -5.0             0.0            5.0             10.0          15.0          20.0                                                qE, MV/cm    

Page 38: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

Model results in real-time defect evolution and transient currents

Page 39: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

Defect time evolution

Energy

Space

0               200               400              500             600                                      time, fs

Current, nA

0.0   4.0   8.0

Num

ber o

f defects

    5      10     15     20     25

Transient currentKeeps going

Page 40: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

Results:  Calculated I-V Characteristics

-20 -10 0.0 10 20 qE, MV/cm

C

urre

nt,

nA-6

-4

-2

0

2

4

Thermal smoothing

Steps showing activation of discrete tunneling paths

Asymmetric: Defect level dependence

Page 41: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

Results:  Transient I-V Characteristics6 fs 32 fs 58 fs

Thresholds in time and applied field!

Page 42: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

Results:  Transient Leakage

Transient defect-induced weakness!

E=1.5 V

E=3 V

Defects and current peaks within ~200 fs of recoil

Defects and current persists on the ns time-scale

Roughness of curve due to exponential dependence on atomic

and electronic structure!

Page 43: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

Quantitative agreement!

Massengill, et al., IEEE TNS 48 1904 (2001)

As a result of the calculation we have direct comparison with experiment for the gate current as a function of gate voltage! 

Page 44: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

Graphene device degradation 

• Graphene fabricated by mechanical exfoliation from Kish graphite

• Sweep VG with VDS=5mV

Page 45: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

Motivation and Outline

Experiment [1]

o Graphene’s resistivity response to x-ray radiation, 

      ozone exposure, annealing. 

o Defect related Raman D-peak appears after

x-ray irradiation in air

ozone exposure, decreases after annealing.

[1] E.-X. Zhang et al, IEEE Trans. Nucl. Sci. 58, 2961 (2011)

Theory: behavior of impurities on graphene

o Temperature and concentration dependence.

o Need to remove oxygen without vacancy formation (would H help?)

Page 46: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

Graphene device degradation 

Two-probe resistances measured on

• 10 keV irradiated graphene• pristine graphene• ozone exposed graphene (1 min) • annealed  (300C for 2 hrs in 200 sccm Ar) 

Page 47: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

Graphene device degradation 

Defect related D-peak 

• increases x-ray exposure • decreases after temperature anneal

Ozone exposure

a)

b)

0

2000

4000

6000

8000

Anneal15 Mrad(SiO2)8 Mrad(SiO

2)

Inte

grat

ed in

tens

ity A

rea

10-keV X-ray Dose

G-Peak

D-Peak

Pre0

20

40

60

80

I D/I G

(10

0%)

Page 48: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

Kinetic Monte-CarloKMC

Density Functional TheoryDFT

Theoretical Approach

O

O dimer

O migrationO desorption

• Defect formation energies • Migration/desorption barriers

Defect dynamics• Temperature• Initial concentration

Page 49: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

Top

Bridge

1.3 eV

0.8 eV

0.5 eV

1.3 eV

Oxygen Removal and Vacancy Generation

CO, CO21.1 eV O2 1.1 eV

Oxygen: clustering behavior

Removal of oxygen • Pairs O2

• Triplets CO, CO2, VC

Device degradation

Page 50: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

Residual oxygen atomVacancy

High-temperature Annealing

Concentration of vacancies exceeds concentration of residual O

Page 51: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

T

High vs Low Temperature Anneal

T, oC

Page 52: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

Temperature Anneal Initial Defect Concentration Dependence

Lo

Low O, High V concentration

High O concentration

vacancy

oxygen

High T: Removal of oxygen > 0.05 initial surface coverage leads to vacancy formationLow T: Oxygen stays on the surface and forms clusters

Decrease of D-peak, Increase in resistivity

surface coverage 

Method to prevent defect formation during irradiation/annealing?

T initial O surface coverage 

Page 53: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

Oxygen and Hydrogen on Graphene:Binding energies, Migration and Reaction Barriers 

O-H is most likely to desorb from graphene surface

Leaves carbon network intactH

O

Page 54: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

Effect of Hydrogen On Oxygen Annealing

Oxygen/Hydrogen Concentrations

Low High

Low 2% O, 10% H

High 15% O, 1% H 15% O, 10% H

@ T = 300 C

Final defect concentrations?

Page 55: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

Removal of residual Oxygen Causes formation of large

amount of Vacancies

t ~ 0.001 s 

t ~ 1 s 

t ~ 0.0001 s 

t ~ 1 s 

Effect of Hydrogen On Oxygen Annealing

Residual Hydrogen Forms clusters L ~ 0.5 nmNo Vacancies are formed

Higher Hydrogen concentrationHigher Oxygen concentrationHydrogen is removed Oxygen is removed

Page 56: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

Hydrogen is removed first, Removal of residual Oxygen Causes formation of Vacancies

High O, High H concentrations

Effect of Hydrogen On Oxygen Annealing

Page 57: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

Электронная плотность 

Разложение по функциям Гаусса

Перенос заряда 

Page 58: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

pseudopsV q S q w q

Полная энергия

Page 59: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

2

1 21

45 3 3 1 2, ln

8 4 5 2 8 2

q qw w q q and w

q q

Теория линейного отклика

Кинетическая энергия

corr corrWang Teter LDA atomT T T T

Page 60: лекция 1 обзор методов вычислительной физики
Page 61: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

λ=1 upper limit von Weizsäcker

λ=1/9 gradient expansion second order

λ=1/5 computational Hartree-Fock

Page 62: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

1. Phase Diagram

2. Elastic Properties

3. Defect Formation Energies

Page 63: лекция 1 обзор методов вычислительной физики

G0W0

Ширина запрещенной зоны

GaN