DQI im Elektronentransport durch Graphennanobänder

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 arbitären 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 Dichtefunktionlatheorie 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.

Technologien zur Gassensorik sind für die Umweltsicherheit und für medizinische Anwendungen von größter Bedeutung. Bereits vor einem Jahrzehnt wurde über den Nachweis eines einzelnen NO2-Moleküls mit einem Sensor auf Graphenbasis berichtet, und die Empfindlichkeit von Sensoren auf Graphenbasis wurde in jüngsten Experimenten erhöht, insbesondere für H2O und NO2. In den Übersichten über Gassensoren auf Graphenbasis werden dieselben zwei großen Herausforderungen für ihre weitere Entwicklung genannt: (i) der Mechanismus, auf dem die Gassensoren beruhen, ist nicht sehr gut verstanden, und manchmal gibt es mehrere konkurrierende theoretische Erklärungen; (ii) es besteht zwar kaum ein Zweifel daran, dass dünne Graphenfilme sehr empfindlich sind, aber leider sind sie für viele verschiedene Arten von Adsorbaten empfindlich, und diese Querempfindlichkeit verringert natürlich eine andere wichtige Eigenschaft jedes chemischen Sensors, nämlich die chemische Selektivität. Diese Probleme können potenziell überwunden werden, indem ausgedehnte Graphenschichten durch Graphen-Nanostrukturen ersetzt werden, z. B. durch atomar gut definierte Graphen-Nanobänder (GNR), für die neue Paradigmen für den Nachweismechanismus vorgeschlagen werden müssen. In letzter Zeit wurden enorme Fortschritte bei der chemischen Synthese von atomar präzisen und in der Flüssigphase verarbeitbaren GNR erzielt, die für Sensoranwendungen funktionalisiert und leicht in elektrische Schaltungen integriert werden können. Gleichzeitig wurden Quanteninterferenz (QI)-Effekte, die bei -konjugierten Einzelmolekülverbindungen gut etabliert sind, auch in nanostrukturiertem Graphen theoretisch vorhergesagt und experimentell beobachtet. In Bezug auf Anwendungen wurde QI auch als neues Paradigma für logische Bauelemente auf der Grundlage von GNR mit extrem niedrigem Stromverbrauch sowie als Instrument zur Erhöhung der Selektivität von Gassensoren auf GNR-Basis vorgeschlagen. In diesem Projekt haben wir die Stabilität der destruktiven Quanteninterferenz (DQI) beim Elektronentransport durch Graphen-Nanostrukturen, die mit Source- und Drain-Elektroden verbunden sind, in Abhängigkeit von der Systemgröße untersucht, wobei wir den Einfluss von Unordnung, Elektron-Elektron- und Elektron-Phonon-Wechselwirkungen berücksichtigt haben. Eine gründliche Dichtefunktionaltheorie (DFT)-Analyse ermöglichte es, die vom Molekül und den Elektroden herrührenden Eletronentransporteigenschaften von einander zu unterscheiden. Wir zeigen, dass es durch Ausnutzung der destruktiven QI, die im meta-substituierten Pyren entsteht, möglich ist, einen Graphen-ähnlichen Sensor zu kalibrieren, um sowohl seine Empfindlichkeit als auch seine chemische Selektivität um fast zwei Größenordnungen zu verbessern, so dass einzelne NO2-, H2O- und NH3-Moleküle nachgewiesen und unterschieden werden können. Aus den DFT-Berechnungen haben wir auch einen lokalen Orbital-Basissatz (LO) abgeleitet, der es ermöglicht, Nachbearbeitungen von DFT-Berechnungen - von der Interpretation des Elektronentransports bis zur Extraktion effektiver Tight-Binding-Hamiltonians - sehr effizient und ohne Einbußen bei der Genauigkeit der Ergebnisse durchzuführen. Aus dieser LO-Basis haben wir eine Tight-Binding-Methode abgeleitet, die sich für die Durchführung von Simulationen des chemischen Sensorverhaltens in realistisch komplexen Systemen eignet und direkt mit Experimenten verglichen werden kann.