Monte Carlo study of charge and phonon transport in graphene

L argomento principale di questa tesi è lo studio dei fenomeni di trasporto nel grafene. Il graphene è uno dei nuovi materiali più importanti e gode di un ampio spettro di ottime proprietà, che sono raramente presenti assieme in uno stesso materiale, ed è considerato il candidato ideale per lo sviluppo di futuri dispositivi elettronici. Si studierà la dinamica degli elettroni nella banda di conduzione, considerando livelli di Fermi sufficientemente alti per potere trascurare la dinamica di quelli nella banda di valenza. Questa condizione è equivalente a un doping di tipo n per i semiconduttori tradizionali. Gli effetti di degenerazione sono particolarmente importanti nel grafene e la corretta inclusione del principio di Pauli non è più evitabile. Per risolvere l equazione di Boltzmann, è stata sviluppata una nuova procedura di simulazione Monte Carlo (Direct Simulation Monte Carlo) capace di trattare correttamente il principio di Pauli. Per una validazione dei risultati, l equazione di Boltzmann è stata risolta anche in maniera deterministica ricorrendo a uno schema numerico basato sul metodo Discontinuous Galerkin. L accordo tra i risultati è eccellente. Si è fatto un confronto anche con i risultati ottenuti utilizzando un consolidato modello idrodinamico e anche in questo caso l accordo è molto buono. La nuova procedura è stata applicata per lo studio del trasporto di cariche in un singolo strato di grafene sospeso e successivamente in uno strato di grafene appoggiato su differenti substrati. Si sono confermati gli effetti del substrato, come la diminuzione della mobilità. Si è investigato anche il trasporto dei fononi e sono stati analizzati gli effetti termici in presenza di un campo elettrico. Si è fatto uso di un modello completo, comprensivo di tutte le branche di fononi, sia quelli nel piano che quelli ortogonali al piano. La popolazione dei fononi è stata descritta senza ricorrere all approssimazione con una distribuzione di Bose-Einstein ed è calcolata sfruttando i risultati della simulazione Monte Carlo, contando il numero dei processi di emissione e assorbimento dovuti all interazione degli elettroni con i fononi. Il contributo dovuto all interazione fonone-fonone è trattato con un approssimazione BGK. È stato possibile determinare l aumento della temperatura dovuto al flusso di cariche e prevederne l andamento per qualsiasi valore del campo elettrico e del livello di Fermi. Infine, si è dimostrato come l inclusione di tutte le branche dei fononi predica effetti termici minori rispetto ad altri modelli semplificati.

Grantor dc:publisher

Università degli studi di Catania

Year dc:date

2017

Author dc:creator

• COCO, MARCO

Contributors dc:contributor

• ROMANO, Vittorio
• RUSSO, Giovanni

• Graphene, Pauli's exclusion principle, Monte Carlo method, Discontinuous Galerkin method, Heating effects, Maximum Entropy Principle

Statement dc:rights

• info:eu-repo/semantics/openAccess
• license:PUBBLICO - Pubblico con Copyright
• license uri:iris.PUB02

Language dc:language

eng

Handle dc:identifier

https://hdl.handle.net/20.500.11769/582931

OAI identifier oai:identifier

oai:www.iris.unict.it:20.500.11769/582931