Strukturelle und elektronische Eingenschaften dünner Bismuth-Schichten
Bismuth zeigt eine Vielzahl interessanter Eigenschaften, sowohl als Volumen-Material als auch als dünner Film. Z.B. ist Bismuth ein topologischer Isolator, zeigt starke Spin-Orbit-Effekte, hat einen Halbmetall-Halbleiter-Übergang bezüglich der Filmdicke und düne Schichten zeigen Quantentrogzustände ähnlich denen des harmonischen Oszillators.
Zwei Standard-Beispiele jeder Quantenmechanik-Vorlesung sind der unendlich tiefe Potentialtopf und der harmonische Oszillator. Ersterer besitzt quadratisch anwachsende Energieniveaus, letzterer äquidistante. Dünne Filme können aufgrund der Quantisierung in einer Dimension als Quantentrog angesehen werden. In der Regel ist dafür der unendlich tiefe Potentialtopf ein gutes Modell, da die quadratischen Energieniveaus mit der experimentellen Realität übereinstimmt. Messungen ergaben, dass bei Bismuth-Filmen und anderen Materialien auch äquidistante Energieniveaus auftauchen können, woraus oftmals ein harmonischer Oszillator geschlussfolgert wird. Zweifelsfrei kann dieser als Modell verwendet werden.
Aber gibt es auch andere Potentiale die ein solches äquidistantes Spektrum erzeugen? Diese Frage wurde in der Literatur bereits vor einigen Jahren theoretisch untersucht und mit "Ja" beantwortet. Ziel der Untersuchung ist, einige solcher Potentiale zu finden und diese mit realistischen atomaren Strukturen in Zusammenhang zu bringen.
Publikationen
Fabian Teichert et al., arXiv
Ziel ist der Experiment-Theorie-Vergleich dünner Bismuth-(110)-Schichten, um Einblicke in die Struktur und die elektronischen Eigenschaften zu erhalten.
Experiment: Bismuth-Multilagen-Schichten sind epitaktisch auf eine Graphen-Substrat gewachsen. (110)-Schichte wurden festgestellt und mit Rastertunnelmikroskiopie für verschiedene Schichtdicken vermessen. Wir fanden ein geraden/ungerade-Schema in der Schichtdicke bezüglich der Anzahl an Monolagen und ebenso bezüglich der Anzahl an Bilagen. Dies lässt auf eine Strukturrelaxation ähnlich dem des schwarzen Phosphor schließen.
Theorie: Dichtefunktionaltheorie-Rechnungen wurden für Bismuth-(110)-Multilagen durchgeführt. Wir fanden ebenso ein gerade/ungerade-Schema in der Schichtdicke, in Übereistimmung mit den STM-Ergebnissen. Weitere Rechnugen mit Graphen und hoch-orientiertem pyrolytischem Graphit als Substrat werden durchgeführt, um elektronisch entkoppelten Schichten an der Grenzfläche auf die Spur zu kommen.
Zusammenarbeit
Chitran Ghosal
Mechanische und elektronische Eigenschaften von Kohlenstoffnanoröhrchen
Kohlenstoffnanoröhrchen (engl. carbon nanotubes, CNTs) besitzen hervorragende mechanische und elektronische Eigenschaften, welche zudem durch Variation struktureller Parameter (z.B. Art des CNTs, mechanische Verspannung) manipuliert werden können. Hierin liegt das Potential für zukünftige Anwendungen in den stets kleiner werdenden Mikrochips, z.B. als halbleitender Kanal in Transistoren, als Leitbahn oder als Sensorelement. Ziel ist die systematische Beschreibung äußerer Einflüsse auf die mechanischen und elektronischen Eigenschaften von CNTs – wie z.B. mechanische Verspannung, Defekte oder elektrische Felder. Dabei werden theoretische Methoden verwendet, wie beispielsweise das Tight-Binding-Verfahren (TB) oder die Dichtefunktionaltheorie (DFT), die Systemgrößen von 30 bis zu 10‘000 Atomen erlauben. Darauf basierend können effektive Modelle abgeleitet werden, um den gewünschten Effekt in vereinfachter Weise zu beschreiben, wobei hier auf die Beschreibung mesoskopischer Systeme fokussiert wird. Diese beiden Richtungen bilden eine Basis für Vergleiche mit den Ergebnissen experimenteller Arbeitsgruppen im Physikinstitut und am Zentrum für Mikrotechnologien bzw. Fraunhofer ENAS.
Sind für ein Bauelement, z.B. einen Sensor, mehrere CNTs in Parallelschaltung nötig, so kann es bei der Abscheidung auch zu diagonalen Ausrichtungen kommen. Manchmal können dabei zwei CNTs übereinanderliegen, was die Leitfähigkeit signifikant beeinflussen kann.
Ziel der Untersuchungen ist die Quantifizierung der genannten Einflusses mittels Dichtefunktionaltheorie-Rechnungen (DFT). Dabei werden sowohl sich geradlinig kreuzende CNTs als auch die dabei möglicherweise auftretenden Krümmungen betrachtet. Beschrieben wird einerseits, welchen Einfluss der Kreuzungswinkel bzw. die Überlappfläche auf die Gesamtleitfähigkeit hat, und andererseits, wie die Leitfähigkeitsreduktion mit der elastischen Energie der Krümmung in Verbindung gebracht werden kann.
Publikationen
Fabian Teichert, Spezialisierungspraktikum
Defekte spielen eine große Rolle für die Eigenschaften der CNTs und können nicht vernachlässigt werden. Eine nahezu defektfreie Herstellung ist zwar möglich, jedoch nur unter perfekten Laborbedingungen. Für eine zukünftige technologische Anwendung sind CNTs während des Herstellungs- bzw. Abscheidungsprozesses Gasen ausgesetzt, die durch Kollision Defekte erzeugen, bei denen es sich im Wesentlichen um Vakanzen handelt.
Ziel ist die umfassende Beschreibung des Einflusses von Defekten auf den Elektronentransport auf mesoskopischer Größenskala für die Vielzahl struktureller Parameter der CNTs. Als Elektronenstrukturmodell wird hierbei das dichtefunktionalbasierte Tight-Binding-Modell (DFTB) verwendet. Die Berechnung der Transmission und der Zustandsdichte geschieht mittels eines eigens implementierten Transportcodes, welcher effiziente, linear skalierende Algorithmen verwendet. Die Beschreibung der Ergebnisse erfolgt im Rahmen des Transportregimes der Starken Lokalisierung, bei dem die Lokalisierungslänge eine zentrale Größe für die Beschreibung der elektronischen Leitfähigkeit ist. Mit den Resultaten der Rechnungen wird die Leitfähigkeit und die Lokalisierungslänge von Ladungsträgern in CNTs für typische Defektkonzentrationen beschrieben. Dabei werden sowohl metallische als auch halbleitende CNTs, unterschiedliche Chiralitäten, Durchmesser und Defektdichten untersucht und in einem Modell zur Abschätzung bzw. Vorhersage der Leitfähigkeit zusammengefasst.
Neben den strukturellen Parametern werden auch die Auswirkungen durch die Wechselwirkung intrinsischer elektrischer Felder, äußere Spannungen, äußerer elektrischer Felder in Form von Gates sowie phononinduziertem inelastischem Transport untersucht. Hier liegen besonders große Herausforderungen, da die zu lösenden Gleichungen auf mesoskopischer Längenskala nur mit enorm viel Rechenaufwand gelöst werden können und vereinfachte Beschreibungen nötig sind.
Projektbeteiligungen
ESF-Nachwuchsforschergruppe "Computer Simulation für das Material Design" (CoSiMa), Dresden Center for Computational Materials Science (DCMS)
Publikationen
Fabian Teichert, Masterarbeit
Fabian Teichert et al., New Journal of Physics 16 (2014) 123026
Fabian Teichert et al., Computational Materials Science 138 (2017) 49
Fabian Teichert et al., Journal of Physics Communications 2 (2018) 105012
Fabian Teichert et al., Journal of Physics Communications 2 (2018) 115023
Quantentransportrechnungen auf mesoskopischer Skala sind eine große Herausforderung, die nur mit linear skalierenden Methoden bewältigt werden kann. Eine Möglichkeit ist die Verwendung einfacher Tight-Binding-Modelle zur Beschreibung Elektronenstruktur und des Gleichgewichts-Greenfunktionsformalismus für die Formulierung des Transportproblems. Zu dessen Lösung können die rekursive Greenfunktionsmethode für nicht periodische Systeme sowie der Renormierungs-Dezimierungs-Algorithmus für periodische Systeme verwendet werden. Da erstere linear mit der Systemgröße skaliert und letztere sogar logarithmisch, sind periodische Strukturen wesentlich schneller berechenbar. Durch geschickte Kombination beider Verfahren wurde ein Algorithmus entwickelt, der in Systemen mit statistisch verteilten, realistischen Defekten, bei abnehmender Defektdichte immer effizienter wird.
Projektbeteiligungen
ESF-Nachwuchsforschergruppe "Computer Simulation für das Material Design" (CoSiMa), Dresden Center for Computational Materials Science (DCMS)
Publikationen
Fabian Teichert et al., Journal of Computational Physics 334 (2017) 607
Fabian Teichert et al., Computational Materials Science 169 (2019) 109014
