The progressing miniaturization of electrical components on a circuit inevitably leads to the research of components on a molecular level. Since the 1970s, when this new research field of molecular electronics was started, it has been advancing rapidly with the help of quantum chemical methods, such as the non-equilibrium Green's function formalism.
Molecular junctions are designed to fulfill the roles of classical electronic components. However, they can also exhibit special conducting properties due to quantum effects, e.g. quantum interference, which can lead to extremely low or high transmission. Molecular junctions can also be highly efficient spin filters. Since high electron mobility is very important in such systems, graphene nanoribbons are a popular base material for molecular electronic devices. Their electronic properties are highly tunable by their width, their edge shape and their functionalization through doping or other means.
In this thesis, the global and local transport properties of several different molecular devices are investigated with non-equilibrium Green's function methods. For this, a readily available Python-based tool for non-equilibrium Green's function from the atomic simulation environment program package is expanded on to allow the use of outputs from a wider range of quantum chemical software packages. First, a quinone functionality exhibiting destructive quantum interference due to its cross-conjugated pi system is examined between 2-zigzag graphene nanoribbon leads. The functionality is then applied to a 5-armchair graphene nanoribbon structure. Next, the strong spin filtering properties of a nitrogen doped 2-zigzag graphene nanoribbon device are investigated, which can be activated through simple chemical or physical transformations. In a third project, the cross-conjugation patterns in diboracene systems are explored, how different substitutions can effect the resulting quantum interference and how this effect can produce spin-selective transport in the unsubstituted systems in the triplet state.
The increasing switching frequencies of modern field-effect transistors require time-resolved methods, e.g. the driven Liouville--von-Neumann equation, to describe the transport behavior before the current equilibrates. In the final project of this thesis, the quantum chemical toolkit that can be used to describe molecular transport properties is expanded by introducing the novel resolution-of-identity stochastic time-dependent configuration interaction (RI-sTDCI) method for time-resolved transport simulations.
Die fortschreitende Verkleinerung von elektronischen Komponenten auf einem Schaltkreis führt notwendigerweise zur Erforschung von Komponenten auf molekularer Ebene. Seit den 1970ern, als dieses neue Forschungsgebiet der molekularen Elektronik geschaffen wurde, hat es sich rapide entwickelt mit der Hilfe von quantenchemischen Methoden wie dem so-genannten Nicht-Gleichgewichts-Greens-Funktion Formalismus.
Molekulare Kontakte werden entworfen, um klassische Elektronikteile zu ersetzen. Sie können jedoch auch spezielle durch Quanteneffekte produzierte, leitende Eigenschaften besitzen, z. B. Quanteninterferenz, die zu besonders niedriger oder hoher Transmission führen kann. Molekulare Kontakte können auch hocheffiziente Spinfilter ergeben. Da hohe Elektronmobilität sehr wichtig in diesen Systemen ist, sind Graphennanobänder ein beliebtes Ausgangsmaterial für molekulare elektronische Geräte. Sie sind sehr vielseitig, da sich ihre elektronischen Eigenschaften leicht durch ihre Breite, ihre Kantenform und ihre Funktionalisierung beeinflussen lassen.
In dieser Arbeit werden die globalen und lokalen Transporteigenschaften mehrerer molekularer Systeme mit Nicht-Gleichgewichts-Greens-Funktion Methoden untersucht. Hierzu wurde ein leicht verfügbares Python-Werkzeug vom Programmpaket "Atomic Simulation Environment" erweitert, um den Gebrauch von Outputs von einer breiteren Auswahl von quantenchemische Softwarepaketen zu ermöglichen. Zuerst wird eine Chinon-Gruppe, die destruktive Quanteninterferenz wegen ihres kreuzkonjugierten pi-Systems aufweist, zwischen 2-zigzag-Graphennanoband-Elektroden erforscht. Die Gruppe wird dann auf eine 5-armchair-Graphennanoband-Struktur übertragen. Als nächstes werden die hervorragenden Spinfiltereigenschaften eines 2-zigzag-Graphennanoband-Systems mit einem bestimmten Stickstoff-Dotierungsmuster untersucht, die durch einfache chemische oder physikalische Transformationen aktiviert werden können. In einem dritten Projekt werden die Kreuzkonjugationsmuster von Diborazen-Systemen erkundet, wie unterschiedliche Substitution die resultierende Quanteninterferenz beeinflusst und wie dieser Effekt spin-selektiven Transport in den unsubstituierten Systemen im Triplett-Zustand produzieren kann.
Die zunehmenden Switch-Frequenzen in modernen Field-Effect-Transistoren benötigen zeitaufgelöste Methoden, z. B. die "driven Liouville--von-Neumann-Gleichung'" zur Beschreibung des Transportverhaltens bevor der Strom equilibriert. Im letzten Projekt wird der quantenchemische Werkzeugkasten von Methoden zur Beschreibung von molekularen Transporteigenschaften erweitert durch die Einführung der neuen "Resolution-of-Identity stochastic Time-Dependent Configuration Interaction" (RI-sTDCI) Methode für zeitaufgelöste Transport-Simulationen.
