Electron transport in graphene nanostructures

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2013-01-23
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2013
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
53 + app. 39
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 7/2013
Abstract
Since its first synthesis and characterization in 2004 graphene has been the focus of an intense research effort. Charge carriers in graphene are massless Dirac fermions that behave fundamentally differently than electrons in conventional semiconductor heterostructures. For applications the most interesting factor is the very high quality of the graphene lattice leading to ballistic transport over micron length scales. The transport of electrons in graphene has thus been widely studied for applications in electronics. Although bulk graphene is gapless, a gap can be generated by breaking the graphene into finite strips, graphene nanoribbons. Our work concerns the study of electron transport in graphene and graphene nanoribbons using first principles density functional theory (DFT) and semiempirical tight-binding (TB) methods. The TB and DFT approaches are complementary in that DFT makes it possible to study small graphene structures with an accurate accounting for effects such as ionic relaxation, charge transfer and magnetism while TB can be used for fast calculations of large, disordered samples. By combining DFT and TB very accurate TB parameterizations can be generated. The parameterizations can also be generalized for magnetic systems by using the Hubbard model. We have used these methods to study the effect various structural defects such as vacancies, adatoms and disordered edges have on the transmission properties of graphene nanostructures. We have shown that even single defect calculations are enough for estimating the conducting properties of large samples with the aid of a scaling approach to transport. This makes it possible to characterize different defects in graphene based on a scattering cross section that can be calculated directly by DFT for small systems.

Grafeenia on tutkittu intensiivisesti sen jälkeen, kun sitä valmistettiin ja karakterisoitiin ensi kertaa 2004. Normaaleista puolijohteista poiketen grafeenin varauksenkuljettajat ovat massattomia Dirac-fermioneja, jotka käyttäytyvät huomattavan eri tavalla normaalien puolijohderakenteiden elektroneihin verrattuna. Grafeeni on myös herättänyt toiveita elektroniikan sovellutuksista, sillä grafeenihilan hyvästä laadusta johtuen elektronit etenevät parhaimmillaan siroamatta mikrometrin matkoja. Vaikka grafeenin vyörakenne on normaalisti aukoton, grafeenin leikkaaminen nanonauhoiksi synnyttää aukon. Tämä väitöskirja käsittelee elektronien kuljetusteoriaa grafeenissa ja grafeeninanonauhoissa tiheysfunktionaaliteoriaan (DFT) ja semiempiiriseen tight-binding-malliin (TB) perustuen. DFT ja TB tukevat toisiaan siinä mielessä, että DFT mahdollistaa pienten rakenteiden tarkat laskut mukaanlukien ionisen relaksaation, varauksensiirron ja magneettiset ilmiöt, ja TB:llä puolestaan voidaan tutkia isoja epäjärjestäytyneitä rakenteita. Yhdistämällä DFT ja TB voidaan TB parametrisoida siten, että saavutetaan hyvin tarkkoja DFT:tä vastaavia tuloksia. TB voidaan myös yleistää magneettisille järjestelmille käyttämällä Hubbard-mallia. Olemme käyttäneet näitä menetelmiä tutkiaksemme erilaisten rakenteellisten defektien kuten vakanssien, adatomien ja reunaepäjärjestyksen vaikutusta elektronien transmissioon. Olemme osoittaneet, että jopa yhdelle defektille tehdyistä laskuista voidaan arvioida suurten systeemien johtavuusominaiuuksia käyttämällä skaalautumiseen perustuvaa lähestymistapaa. Tämä mahdollistaa eri defektien karakterisoinnin niiden sirontavaikutusalojen perusteella. Sirontavaikutusalan puolestaan voi laskea DFT:llä suoraan yhdelle defektille.
Description
Supervising professor
Puska, Martti J., Prof., Aalto University, Finland
Keywords
graphene, electron transport, density functional theory, grafeeni, elektronien kuljetusteoria, tiheysfunktionaaliteoria
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Yvette Hancock, Karri Saloriutta, Andreas Uppstu, Ari Harju, Martti J. Puska. Spin-Dependence in Asymmetric, V-Shaped-Notched Graphene Nanoribbons. Journal of Low Temperature Physics, 153, 393, October 2008.
  • [Publication 2]: Yvette Hancock, Andreas Uppstu, Karri Saloriutta, Ari Harju, Martti J. Puska. Generalized tight-binding transport model for graphene nanoribbon-based systems. Physical Review B, 81, 245402, June 2010.
  • [Publication 3]: Karri Saloriutta, Yvette Hancock, Asta Kärkkäinen, Leo Kärkkäinen, Martti J. Puska, Antti-Pekka Jauho. Electron transport in edgedisorded graphene nanoribbons. Physical Review B, 83, 205125, May 2011.
  • [Publication 4]: Andreas Uppstu, Karri Saloriutta, Ari Harju, Martti J. Puska, Antti-Pekka Jauho. Electronic transport in graphene-based structures: An effective cross-section approach. Physical Review B, 85, 041401, January 2012.
  • [Publication 5]: Karri Saloriutta, Andreas Uppstu, Ari Harju, Martti J. Puska. Ab initio transport fingerprints for resonant scattering in graphene. Physical Review B, 86, 235417, December 2012.
Citation