The aim of this dissertation is supporting theoretical transistor material design using a combination of electronic structure theories, transport simulations and local current density analysis. Our main efforts focus on using several carbon based materials including 1D defective zigzag graphene nanoribbons (ZGNRs), 2D fluorinated graphene and 1D fluorinated ZGNRs to design nanowires-based devices. The electronic properties of these materials are foremost studied within periodic density functional theory (DFT) framework. It is found that in defective ZGNRs the degree of defect dilution strongly influences the electronic structures of the system and a considerable bandgap can be introduced by engineering a regular C6 deficiency into the pristine ZGNRs structure. Combining Non-Equilibrium Green’s Function and the Landauer formalism, the global transport properties such as total current-bias voltage dependence of constructed transport models are evaluated. In order to illuminate the local origin of the variation observed in the conductivity, local cur- rent density maps of the devices are investigated via a procedure originally proposed by Evers and co-workers [Walz et al., Phys. Rev. Lett., 2014, 113, 136602.]. The presence of defects in the ZGNRs leads to a concentrated current flow in the middle region close to the defect edges. The degree of defect dilution as well as the width of the nanojunction have strong impact on the local current densities. Inspired by a recent experiment [Yang et al., Adv. Funct. Mater., 2017, 27, 1604096.] which proposed defective graphene materials as biosensor, we construct a transport model composed with a selected defective ZGNRs and a pyrene molecule serving both as adsorbent on the ZGNRs and as linker to the biomolecule. By modifying the distance between the pyrene molecule and the nanojunction plane, the presence of a heavy biomolecule is simulated. The transport calculations reveal a quantitative change in the total current-bias voltage dependence, which correlates to the experimental measurements. The numerical efficiency of the local current analysis procedure is improved by applying sparse matrix storage and spectral filtering techniques while maintaining the resolution standards. The resulting local current density maps qualitatively demonstrate the local variation of the interference between the linker molecule and the nanojunction plane, which elucidates the small quantitative changes found in the global transport properties. For 2D fluorinated graphene materials, on top of DFT, the G0W0 method as well as the G0W0Γ method within many-body Green’s function framework are employed. The results show that the fluorination degree has a determining impact on the bandgap value of the system, whereas the fluorination pattern strongly influences the characteristics of their band structures. Including the description of electron-hole interactions, the optical spectra based on Bethe-Salpeter equation (BSE) of various structures are calculated. Depending on the polarization of the applied electromagnetic field, the optical absorption spectra of the same structure could vary significantly. These interesting findings suggest potential optoelectronic applications of partially fluorinated graphene. The study of partially fluorinated ZGNRs is motivated by the tunability of the electronic properties found in 2D fluorinated graphene materials and an experimental publication [Withers et al., Nano letters, 2011, 11, 3912-3916.], where a controlled synthesis of fluorinated graphene via electron beam is reported. The correlation between the conductivity of resulting materials and the width of fluorinated area is revealed in the experimental measurement. In order to understand the detailed transport mechanism, different widths of edge fluorinated ZGNRs with various degrees of fluorination are considered. The total current-bias voltage dependence and the spin resolved local current density maps of selected systems suggest that specific fluorination pattern and fluorination degrees have determining impact on the conductivity and the electron flux migration pathway within the nanojunction. In addition, the well-known edge effect of the ZGNRs can be observed via spin-resolved local current analysis, which is especially promising for their potential spintronic application. Finally, we apply a similar procedure on a device model composed by the 1D triarylmethyls polymers. Depending on the orientation of the local magnetic moments on the central α carbons, either spin paired or antiferromagnetic electronic solution can be achieved. Different functional groups on the aryl rings can modify the conductivity of the system drastically. The local current analysis verifies the influence of the electronic solution of the system on its electron flux migration pathway.
Das Ziel dieser Dissertation ist die theoretische Unterstützung des Designs von Transitor- Materialien durch eine Kombination von Elektronenstrukturmethoden, Transportsimulationen und lokaler Stromdichteanalyse. Wir konzentrieren uns auf die Verwendung verschiedener Kohlenstoff-basierter Materialien, darunter 1D-Zickzack-Graphen- Nanobänder (ZGNRs) mit Defekten, 2D-fluoriertes Graphen und 1D-fluorierte ZGNRs, um auf Nanodrähte basierende elektronische Bauelemente zu entwickeln. Die elektronischen Eigenschaften dieser Materialien werden hauptsächlich im Rahmen der periodischen Dichtefunktionaltheorie (DFT) untersucht. Es wurde festgestellt, dass in ZGNRs mit regelmäßigen C6- Defekten der Defektdichtegrad die elektronischen Strukturen des Systems stark beeinflusst und eine erhebliche Bandlücke durch die Defekten in die ursprüngliche ZGNRs-Struktur eingeführt werden kann. Durch die Kombination der Non-Equilibrium Green’s Funktion und des Landauer-Formalismus werden die globalen Transporteigenschaften wie die Gesamtstrom-Spannungsabhängigkeit konstruierter Transportmodelle berechnet. Um den lokalen Ursprung der beobachteten Anderungen der Leitfähigkeit zu beleuchten, werden die lokalen Stromdichte-Verteilungen der Bauelemente mit einem Verfahren untersucht, das ursprünglich von Evers und Mitarbeitern [Walz et al., Phys. Rev. Lett., 2014, 113, 136602.] vorgeschlagen wurde. Das Vorhandensein von Defekten in den ZGNRs führt zu einem konzentrierten Stromfluss im mittleren Bereich nahe den Defekträndern. Der Defektdictegrade sowie die Breite des Graphenbandes haben starken Einfluss auf die lokalen Stromdichte. Inspiriert durch ein aktuelles Experiment [Yang et al., Adv. Funct. Mater., 2017, 27, 1604096.], in dem Graphen-Materialen mit Defekten als Biosensoren eingesetzt wurden, konstruieren wir ein Transportmodell, das aus ausgewählten Graphenbänder mit Defekten und Pyren besteht. Das Pyren dient sowohl als Adsorbens an den ZGNRs als auch als Linker-Molekül zum Biomolekül. Durch Modifizieren des Abstands zwischen dem Linker-Molekül (Pyren) und der Graphenband Ebene wird die Anwesenheit eines schweren Biomoleküls simuliert. Die Transportrechnungen zeigen eine quantitative Änderung der Gesamtstrom-Spannungs-abhängigkeit, die mit den experimentellen Messungen korreliert. Die numerische Effizienz des Verfahrens der lokalen Stromanalyse wird durch Anwendung von Sparse Matrix Speicher- und Spektral Filter Techniken verbessert, während die Auflösungs- standards beibehalten werden. Die resultierenden lokalen Stromdichte Verteilungen zeigen qualitativ die lokale Variation der Interferenz zwischen dem Linker-Molekül und dem Graphenband, was die kleinen quantitativen Änderungen der globalen Transporteigenschaften verdeutlicht. Für 2D-fluorierte Graphen-Materialien werden zusätzlich zur DFT die G0W0-Methode sowie die G0W0Γ-Methode innerhalb des Vielteilchen-Green-Funktion-Methode verwendet. Die Ergebnisse zeigen, dass der Fluorierungsgrad einen bestimmten Einfluss auf den Bandlücke-Wert des Systems hat, während das Fluorierungsmuster die Lage der Bänder zueinander stark beeinflusst. Die optischen Spektren werden mit Berücksichtigung der Elektron-Loch-Wechselwirkungen mit der Bethe-Salpeter-Gleichung (BSE) für verschiedenen Strukturen berechnet. Abhängig von der Polarisation des angelegten elektromagnetischen Feldes können die optischen Absorptionsspektren derselben Struktur erheblich variieren. Diese interessanten Erkenntnisse legen die potentiellen optoelektronischen Anwendungen von teilfluoriertem Graphen nahe. Motiviert durch die Ergebnisse zur elektronischen Strukturen von 2D-fluorierten Graphen-Materialien und einer experimentellen Publikation [Withers et al., Nano letters, 2011, 11, 3912-3916.], die von einer räumlich kontrollierten Synthese berichtet, untersuchen wir fluorierte ZGNRs. In Messungen wurde eine Korrelation zwischen Leitfähigkeit und der Breite der fluorierten Bereiche gefunden. Um den detaillierten Transportmechanismus zu verstehen, werden verschiedene Breiten von Fluorkanten-gesättigten ZGNRs mit unterschiedlichen Fluorierungsgraden betrachtet. Die Gesamtstrom- Spannungsabhängigkeit und die spinaufgelösten lokalen Stromdichte Verteilungen ausgewählter Systeme legen nahe, dass spezifische Fluorierungsmuster und Fluorierungsgrade einen Einfluss auf die Leitfähigkeit und den Elektronenfluss-Pfad innerhalb des Graphenbandes haben. Darüber hinaus kann der bekannte Kanteneffekt der ZGNRs über die lokale Stromanalyse beobachtet werden, sodass diese Materialien vielversprechende Kandidaten für die Anwendung im Bereich Spintronic sind. Schließlich wenden wir einähnliches Verfahren auf ein molekulares Bauelement an, das aus den 1D-Triarylmethylpolymeren besteht. Abhängig von der Orientierungen der lokalen magnetischen Momente an den zentralen α-Kohlenstoffen kann entweder Spin-gepaarte oder eine antiferromagentische Lösung erhalten werden. Verschiedene funktionelle Gruppen der Aryl-Ringe können die Leitfähigkeit des Systems drastisch verändern. Die lokale Stromdichte-Analyse verifiziert den Einfluss der elektronischen Lösung des Systems auf ihre Elektromigration.
