Technische Universität Wien
Quantum Interference, Topological tight binding, Density functional theory
| P31631 | DQI im Elektronentransport durch Graphennanobänder |
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| Supported by | Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung FWF | |
| Project manager | Robert Stadler
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| Address | Wiedner Hauptstrasse 8-10, 1040 Wien, Austria | |
| University / Research Institution | Institut für Theoretische Physik Technische Universität Wien |
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| Start of project |
September 1st 2019 |
End of project | April 30th 2023 |
| Keywords | Graphene nanoribbons, Chemical sensors, Phase coherent tunnelling, Quantum Interference, Topological tight binding, Density functional theory |
Graphene has been extensively investigated as a promising material for use in high performance nano-electronic devices due to their unique physical properties such as their excellent thermal stability, high charge carrier mobility or their ability to form atomically precise nano-junctions. Due to the very large changes in conductivity that are possible as a result of charge doping of graphene sheets with a number of adsorbates together with its uniquely high surface-to-volume ratio the material has also been proposed for gas sensing, as a bio sensor and even DNA base sequence analysis. There are two major challenges for their further development: i) The mechanism on which the gas sensing is based is not very well understood and sometimes several competing theoretical explanations exist; ii) While there is little doubt that thin graphene films show great sensitivity, unfortunately they are sensitive to many different types of adsorbates and thus not chemically selective. Both problems are linked to the same source, namely the dependence of the sensing mechanism on the detailed device structure caused by any particular fabrication process, which are all beyond control in devices made of larger graphene sheets. These problems can therefore only be overcome by replacing such extended sheets by atomically well defined graphene nanoribbons (GNRs), for which then new paradigms for the detection mechanism need to be proposed. Tremendous progress has been made recently in the chemical synthesis of structurally well-defined and liquid-phase-processable, while destructive quantum interference (DQI) effects have been suggested as a new paradigm for logic devices based on GNRs with extremely low power consumption as well as a tool for increasing the selectivity of graphene-based gas sensors. This project aims to systematically investigate the relationship between the structure (or topology) of GNRs connected to a source and drain electrode on multiple contact sites and the resulting conductance, which crucially depends on the occurrence or absence of DQI effects. This is of fundamental interest in basic research on graphene, where the basic capability to synthesize GNRs of arbitary shapes and sizes now inspires the question which particular structures would be of interest scientifically and for potential technological applications. Since there are different types of QI encountered at different length scales, it is scientifically of interest if there might be any connection of these different types of QI that can be drawn from scaling up topologies from the molecular scale to a mesoscopic length scale. In terms of applications chemical sensors are amongst the most interesting candidates, where Density Functional Theory based calculations will be employed in this project for an atomistic description of the source and drain electrodes as well as for the characterization of the charge transfer between particular types of adsorbate molecules and GNRs.
Graphen wurde als vielversprechendes Material für den Einsatz in hochleistungsfähigen nanoelektronischen Geräten aufgrund ihrer einzigartigen physikalischen Eigenschaften, wie ihrer ausgezeichneten thermischen Stabilität, ihrer hohen Ladungsträgerbeweglichkeit oder ihrer Fähigkeit, atomar präzise Kontakte zu bilden, umfassend untersucht. Aufgrund der sehr großen Änderungen der Leitfähigkeit, die durch Ladungsdotierung von Graphenschichten durch eine Reihe von Adsorbaten zusammen mit ihrem einzigartig hohen Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis möglich sind, wurde das Material auch als Basis für Gas- oder Bio-Sensoren vorgeschlagen und sogar für eine DNA-Basensequenzanalyse. Es gibt zwei große Herausforderungen für die Weiterentwicklung solcher Sensoren: i) Der Mechanismus, auf dem die Gasmessung basiert, ist nicht sehr gut verstanden und manchmal gibt es mehrere konkurrierende theoretische Erklärungen; ii) Zwar gibt es wenig Zweifel daran, dass dünne Graphenfilme eine große Sensitivität aufweisen, leider sind sie für viele verschiedene Arten von Adsorbaten empfindlich und daher nicht chemisch selektiv. Beide Probleme sind mit der gleichen Ursache verknüpft, nämlich die Abhängigkeit des Sensor Mechanismus von Details der Gerätestruktur, die durch einen bestimmten Herstellungsprozess verursacht werden und bei Geräten aus größeren Graphenschichten nicht ausreichend kontrolliert werden können. Diese Probleme können daher nur durch das Ersetzen solcher ausgedehnten Schichten durch atomar gut definierte Graphen-Nanoribbons (GNRs) überwunden werden, für die dann neue Paradigmen für den Sensor Mechanismus vorgeschlagen werden müssen. In der chemischen Synthese von strukturell klar definierten und flüssigphasenverarbeitbaren Vorgängen wurden vor kurzem enorme Fortschritte erzielt, während destruktive Quanten-Interferenz- (DQI-) Effekte als neues Paradigma für logische Schaltkreise auf der Basis von GNRs mit extrem geringem Leistungsverbrauch vorgeschlagen wurden, aber auch als Werkzeug zur Erhöhung der Selektivität von Graphen-basierten Gassensoren. Ziel dieses Projektes ist es, die Beziehung zwischen der Struktur (oder Topologie) von GNRs, die mit einer Source- und Drain-Elektrode auf mehreren atomaren Kontaktstellen verbunden sind, systematisch zu untersuchen und die resultierende Leitfähigkeit, die entscheidend vom Auftreten oder Fehlen von DQI-Effekten abhängt. Dies ist von grundlegender Bedeutung für die Grundlagenforschung zum Material Graphen, weil die grundlegende Fähigkeit, GNRs von arbiträren Formen und Größen zu synthetisieren, die Frage, welche speziellen en Strukturen wissenschaftlich und für potenzielle technologische Anwendungen interessant sind, inspiriert. Da es verschiedene Arten von QI gibt, die auf verschiedenen Längenskalen angetroffen werden, ist es wissenschaftlich von Interesse, ob es irgendeine mögliche Verbindung dieser verschiedenen Arten von QI geben könnte, die aus der Skalierung von Topologien von der molekularen Skala zu einer mesoskopischen Längenskala abgeleitet werden kann. In Bezug auf Anwendungen gehören chemische Sensoren zu den interessantesten Kandidaten, wobei in diesem Projekt Berechnungen auf Basis der Dichtefunktionaltheorie für eine atomistische Beschreibung der Source- und Drain-Elektroden sowie für die Charakterisierung des Ladungstransfers zwischen bestimmten Typen von Adsorbat-Molekülen und GNRs eingesetzt werden.