Carbon-based conductors like carbon nanotubes (CNTs) and graphene nanoribbons (GNRs) have many properties, which make them relevant for potential electronic applications. Among them are high conductances and tunable band gap sizes. These properties make CNTs and GNRs useful in many circumstances, e.g. as channel material in transistors or transparent electrodes in solar cells. Plenty of literature can be found on the topic of single linear CNTs/GNRs. Some applications however require a large network of these conductors. In addition, a single conductor has only a small impact on the network conductance, which reduces the need to control the properties of each individual nanotube/-ribbon. This leads to networks being easier to apply. In this work, the conductance of large networks of GNRs is calculated using the quantum-transport formalism (QT). This has not been done before in literature. In order to apply QT to such a large amount of atoms, the recursive Green's function formalism is used. For this the networks are devided into subcells, which are represented by tight-binding matrices. Similar networks are also examined using two different nodal analysis (NA) approaches, where the nanoribbons are treated as ohmic conductors. For NA with one-dimensional conductors, major discrepancies are found in regards to the QT model. However, networks consisting of two-dimensional conductors (NA-2D) have many properties similar to the QT networks. A recipe to approximate the QT results with NA-2D is presented.:1. Introduction 2. Theoretical Principles 2.1 Carbon-based Conductors 2.1.1 Structure and Properties 2.1.2 Networks 2.2 Tight-Binding Model 2.3 Quantum Transport 2.3.1 Introduction 2.3.2 Level Broadening 2.3.3 Current Flow 2.3.4 Transmission 2.4 Nodal Analysis 3. Implementation 3.1 Quantum Tranport 3.1.1 Network Generation 3.1.2 Density-Functional based Tight-Binding Method 3.1.3 Recursive Green's Function Algorithm 3.1.4 Conductance 3.2 Nodal Analysis 3.2.1 One-dimensional Conductors 3.2.2 Two-dimensional Conductors 4. Results 4.1 Quantum Transport 4.1.1 Band Structures and Fermi Energies 4.1.2 Ideal Transmission and Consistency Tests 4.1.3 Percolation 4.1.4 Transmission 4.1.5 Conductance 4.1.6 Power Law Scaling 4.1.7 Size Dependence and Confinement Effects 4.1.8 Calculation Time 4.2 Nodal Analysis 4.2.1 One-dimensional Conductors 4.2.2 Two-dimensional Conductors 4.2.3 Calculation Time 4.3 Approximating QT with NA 4.3.1 Optimal Parameters 4.3.2 Percolation 4.3.3 Conductance 4.3.4 Power Law Scaling 5. Conclusions / Graphenbasierte Leiter wie Kohlenstoff-Nanoröhrchen (engl. 'carbon nanotubes', CNTs) oder Graphen-Nanobänder (engl. 'graphene nanoribbons', GNRs) haben viele Eigenschaften, die sie für potenzielle elektronische Anwendungen interessant machen. Darunter sind hohe Leitfähigkeiten und einstellbare Bandlückengrößen. Dadurch sind CNTs und GNRs in vielen Bereichen nützlich, z.B. als Kanalmaterial in Transistoren oder als transparente Elektroden in Solarzellen. Es gibt viel Literatur über einzelne, lineare CNTs/GNRs. Einige Anwendungen benötigen jedoch ein großes Netzwerk dieser Leiter. Zusätzlich hat ein einzelner Leiter wenig Einfluss auf die Leitfähigkeit des Netzwerks, wodurch die Eigenschaften der einzelnen Nanoröhrchen/-streifen weniger streng kontrolliert werden müssen. Dies führt dazu, dass es einfacher ist Netzwerke zu nutzen. In dieser Arbeit wird die Leitfähigkeit von großen GNR-Netzwerken mittels Quantentransport (QT) berechnet. Dies wurde in der Literatur noch nicht getan. Um QT auf eine so große Menge an Atomen anzuwenden wird der rekursive Greenfunktions-Formalismus benutzt. Dazu werden die Netzwerke in Unterzellen unterteilt, die durch Tight-Binding-Matrizen dargestellt werden. Ähnliche Netzwerke werden auch mit zwei Versionen der Knotenanalyse (engl. 'nodal analysis', NA) untersucht, welche die Nanobänder wie ohmische Leiter behandelt. Die Ergebnisse der NA mit eindimensionalen Leitern weisen deutliche Unterschiede zu den mit QT erzielten Ergebnissen auf. Wenn jedoch zweidimensionale Leiter in NA verwendet werden (NA-2D) gibt es viele parallelen zu den QT Ergebnissen. Zuletzt wird ein Vorgehen präsentiert, mit dem QT Resultate durch NA-2D Rechnungen genähert werden können.:1. Introduction 2. Theoretical Principles 2.1 Carbon-based Conductors 2.1.1 Structure and Properties 2.1.2 Networks 2.2 Tight-Binding Model 2.3 Quantum Transport 2.3.1 Introduction 2.3.2 Level Broadening 2.3.3 Current Flow 2.3.4 Transmission 2.4 Nodal Analysis 3. Implementation 3.1 Quantum Tranport 3.1.1 Network Generation 3.1.2 Density-Functional based Tight-Binding Method 3.1.3 Recursive Green's Function Algorithm 3.1.4 Conductance 3.2 Nodal Analysis 3.2.1 One-dimensional Conductors 3.2.2 Two-dimensional Conductors 4. Results 4.1 Quantum Transport 4.1.1 Band Structures and Fermi Energies 4.1.2 Ideal Transmission and Consistency Tests 4.1.3 Percolation 4.1.4 Transmission 4.1.5 Conductance 4.1.6 Power Law Scaling 4.1.7 Size Dependence and Confinement Effects 4.1.8 Calculation Time 4.2 Nodal Analysis 4.2.1 One-dimensional Conductors 4.2.2 Two-dimensional Conductors 4.2.3 Calculation Time 4.3 Approximating QT with NA 4.3.1 Optimal Parameters 4.3.2 Percolation 4.3.3 Conductance 4.3.4 Power Law Scaling 5. Conclusions

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den Transporteigenschaften defektbehafteter Kohlenstoffnanoröhrchen (CNTs). Als Beispiel werden dabei einfache und doppelte Fehlstellen betrachtet. Der Fokus liegt auf der Berechnung des Transmissionsspektrums und der Leitfähigkeit mit einem schnellen, linear skalierenden rekursiven Greenfunktions-Formalismus, mit dem große Systeme quantenmechanisch behandelt werden können. Als Grundlage wird ein dichtefunktionalbasiertes Tight-Binding-Modell verwendet. Der Einfluss der Defektdichte und des CNT-Durchmessers wird im Rahmen einer statistischen Analyse untersucht. Es wird gezeigt, dass im Grenzfall kleiner Transmission die Leitfähigkeit exponentiell mit der Defektanzahl skaliert. Das System befindet sich im Regime starker Lokalisierung, wobei die Lokalisierungslänge von der Defektdichte und dem CNT-Durchmesser abhängt.

This thesis theoretically investigates the electronic transport properties of defective carbon nanotubes (CNTs). For the defects the focus is set to vacancy types. The calculations are performed using quantum transport theory and an underlying density-functional-based tight-binding method. Two algorithmic improvements are derived, which accelerate the common methods for quasi one-dimensional systems for the specific case of (i) randomly distributed defects and (ii) long unit cells. With this, the transmission spectrum and the conductance is calculated as a function of the CNT length, diameter, chiral angle, defect type, defect density, defect fraction, and temperature. The diffusive and the localized transport regime are described by extracting elastic mean free paths and localization lengths for metallic and semiconducting CNTs. Simple analytic models for estimating or even predicting the conductance dependence on the mentioned parameters are derived. Finally, the formation of defect-induced long-range deformations and its influence on the conductance are studied.:1 Introduction 2 Fundamentals 2.1 Carbon nanotubes 2.1.1 Structure 2.1.2 Properties 2.1.3 Defects 2.1.4 Synthesis 2.1.5 Characterization 2.1.6 Applications 2.2 Electron structure theory 2.2.1 Introduction 2.2.2 Density functional theory 2.2.3 Density-functional-based tight binding 2.2.3.1 First-order expansion 2.2.3.2 Creation of the parameter set 2.2.3.3 Second-order expansion 2.2.3.4 Usage 2.3 Electron transport 2.3.1 Equilibrium Green’s-function-based quantum transport theory 2.3.2 Transport regimes 2.3.3 Classical derivation: drift-diffusion equation with a sink 2.3.4 Quantum derivation: Dorokhov-Mello-Pereyra-Kumar theory A Improved recursive Green’s function formalism for quasi one-dimensional systems with realistic defects (J. Comput. Phys. 334 (2017), 607–619) A.1 Introduction A.2 Quantum transport theory A.3 Recursive Green’s function formalisms A.3.1 Forward iteration scheme A.3.2 Recursive decimation scheme A.3.3 Renormalization decimation algorithm A.4 Improved RGF+RDA A.5 Performance test A.5.1 Random test matrix A.5.2 Transport through carbon nanotubes A.6 Summary and conclusions B Strong localization in defective carbon nanotubes: a recursive Green’s function study (New J. Phys. 16 (2014), 123026) B.1 Introduction B.2 Theoretical framework B.2.1 Transport formalism B.2.2 Recursive Green’s function formalism B.2.3 Electronic structure B.2.4 Strong localization B.3 Modeling details of the defective system B.4 Results and discussion B.4.1 Single defects B.4.2 Randomly distributed defects B.4.3 Localization exponent B.4.4 Diameter dependence and temperature dependence of the localization exponent B.5 Summary and conclusions Supplementary material C Electronic transport in metallic carbon nanotubes with mixed defects within the strong localization regime (Comput. Mater. Sci. 138 (2017), 49–57) C.1 Introduction C.2 Theoretical framework C.3 Modeling details C.4 Results and discussion C.4.1 Conductance C.4.2 Localization exponent C.4.3 Influence of temperature C.4.4 Conductance estimation C.5 Summary and conclusions D An improved Green’s function algorithm applied to quantum transport in carbon nanotubes (arXiv: 1806.02039) D.1 Introduction D.2 Electronic transport D.3 Decimation technique and renormalization-decimation algorithm D.4 Renormalization-decimation algorithm for electrodes with long unit cells D.4.1 Surface Green’s functions D.4.2 Bulk Green’s functions and electrode density of states D.5 Complexity measure and performance test D.6 Exemplary results D.7 Summary and conclusions E Electronic transport through defective semiconducting carbon nanotubes (J. Phys. Commun. 2 (2018), 105012) E.1 Introduction E.2 Theoretical framework E.3 Modeling details E.4 Results and discussion E.4.1 Transmission and transport regimes E.4.2 Energy dependent localization exponent and elastic mean free path E.4.3 Conductance, effective localization exponent and effective elastic mean free path E.5 Summary and conclusions Supplementary material F Influence of defect-induced deformations on electron transport in carbon nanotubes (J. Phys. Commun. 2 (2018), 115023) F.1 Introduction F.2 Theory F.3 Results F.4 Summary and conclusions 3 Ongoing work 4 Summary and outlook 4.1 Summary 4.2 Outlook 5 Appendix 5.1 Bandstructure of graphene 5.2 Quantum transport theory and Landauer-Büttiker formula References List of figures List of tables Acknowledgement Selbstständigkeitserklärung Curriculum vitae List of publications / Diese Dissertation untersucht mittels theoretischer Methoden die elektronischen Transporteigenschaften von defektbehafteten Kohlenstoffnanoröhren (englisch: carbon nanotubes, CNTs). Dabei werden Vakanzen als Defekte fokussiert behandelt. Die Berechnungen werden mittels Quantentransporttheorie und einer zugrunde liegenden dichtefunktionalbasierten Tight-Binding-Methode durchgeführt. Zwei algorithmische Verbesserungen werden hergeleitet, welche die üblichen Methoden für quasi-eindimensionale Systeme für zwei spezifische Fälle beschleunigen: (i) zufällig verteilte Defekte und (ii) lange Einheitszellen. Damit werden das Transmissionsspektrum und der Leitwert als Funktion von CNT-Länge, Durchmesser, chiralem Winkel, Defekttyp, Defektdichte, Defektanteil und Temperatur berechnet. Das Diffusions- und das Lokalisierungstransportregime werden beschrieben, indem die elastische freie Weglänge und die Lokalisierungslänge für metallische und halbleitende CNTs extrahiert werden. Einfache analytische Modelle zur Abschätzung bis hin zur Vorhersage des Leitwertes in Abhängigkeit besagter Parameter werden abgeleitet. Schlussendlich werden die Bildung einer defektinduzierten, langreichweitigen Deformation und deren Einfluss auf den Leitwert studiert.:1 Introduction 2 Fundamentals 2.1 Carbon nanotubes 2.1.1 Structure 2.1.2 Properties 2.1.3 Defects 2.1.4 Synthesis 2.1.5 Characterization 2.1.6 Applications 2.2 Electron structure theory 2.2.1 Introduction 2.2.2 Density functional theory 2.2.3 Density-functional-based tight binding 2.2.3.1 First-order expansion 2.2.3.2 Creation of the parameter set 2.2.3.3 Second-order expansion 2.2.3.4 Usage 2.3 Electron transport 2.3.1 Equilibrium Green’s-function-based quantum transport theory 2.3.2 Transport regimes 2.3.3 Classical derivation: drift-diffusion equation with a sink 2.3.4 Quantum derivation: Dorokhov-Mello-Pereyra-Kumar theory A Improved recursive Green’s function formalism for quasi one-dimensional systems with realistic defects (J. Comput. Phys. 334 (2017), 607–619) A.1 Introduction A.2 Quantum transport theory A.3 Recursive Green’s function formalisms A.3.1 Forward iteration scheme A.3.2 Recursive decimation scheme A.3.3 Renormalization decimation algorithm A.4 Improved RGF+RDA A.5 Performance test A.5.1 Random test matrix A.5.2 Transport through carbon nanotubes A.6 Summary and conclusions B Strong localization in defective carbon nanotubes: a recursive Green’s function study (New J. Phys. 16 (2014), 123026) B.1 Introduction B.2 Theoretical framework B.2.1 Transport formalism B.2.2 Recursive Green’s function formalism B.2.3 Electronic structure B.2.4 Strong localization B.3 Modeling details of the defective system B.4 Results and discussion B.4.1 Single defects B.4.2 Randomly distributed defects B.4.3 Localization exponent B.4.4 Diameter dependence and temperature dependence of the localization exponent B.5 Summary and conclusions Supplementary material C Electronic transport in metallic carbon nanotubes with mixed defects within the strong localization regime (Comput. Mater. Sci. 138 (2017), 49–57) C.1 Introduction C.2 Theoretical framework C.3 Modeling details C.4 Results and discussion C.4.1 Conductance C.4.2 Localization exponent C.4.3 Influence of temperature C.4.4 Conductance estimation C.5 Summary and conclusions D An improved Green’s function algorithm applied to quantum transport in carbon nanotubes (arXiv: 1806.02039) D.1 Introduction D.2 Electronic transport D.3 Decimation technique and renormalization-decimation algorithm D.4 Renormalization-decimation algorithm for electrodes with long unit cells D.4.1 Surface Green’s functions D.4.2 Bulk Green’s functions and electrode density of states D.5 Complexity measure and performance test D.6 Exemplary results D.7 Summary and conclusions E Electronic transport through defective semiconducting carbon nanotubes (J. Phys. Commun. 2 (2018), 105012) E.1 Introduction E.2 Theoretical framework E.3 Modeling details E.4 Results and discussion E.4.1 Transmission and transport regimes E.4.2 Energy dependent localization exponent and elastic mean free path E.4.3 Conductance, effective localization exponent and effective elastic mean free path E.5 Summary and conclusions Supplementary material F Influence of defect-induced deformations on electron transport in carbon nanotubes (J. Phys. Commun. 2 (2018), 115023) F.1 Introduction F.2 Theory F.3 Results F.4 Summary and conclusions 3 Ongoing work 4 Summary and outlook 4.1 Summary 4.2 Outlook 5 Appendix 5.1 Bandstructure of graphene 5.2 Quantum transport theory and Landauer-Büttiker formula References List of figures List of tables Acknowledgement Selbstständigkeitserklärung Curriculum vitae List of publications

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den Transporteigenschaften defektbehafteter Kohlenstoffnanoröhrchen (CNTs). Als Beispiel werden dabei einfache und doppelte Fehlstellen betrachtet. Der Fokus liegt auf der Berechnung des Transmissionsspektrums und der Leitfähigkeit mit einem schnellen, linear skalierenden rekursiven Greenfunktions-Formalismus, mit dem große Systeme quantenmechanisch behandelt werden können. Als Grundlage wird ein dichtefunktionalbasiertes Tight-Binding-Modell verwendet. Der Einfluss der Defektdichte und des CNT-Durchmessers wird im Rahmen einer statistischen Analyse untersucht. Es wird gezeigt, dass im Grenzfall kleiner Transmission die Leitfähigkeit exponentiell mit der Defektanzahl skaliert. Das System befindet sich im Regime starker Lokalisierung, wobei die Lokalisierungslänge von der Defektdichte und dem CNT-Durchmesser abhängt.:1 Einleitung 2 Physikalische Grundlagen 2.1 Vom Graphen zum Kohlenstoffnanoröhrchen 2.1.1 Geometrische Struktur 2.1.2 Elektronische Eigenschaften 2.2 Schrödingergleichung 2.3 Dichtefunktionaltheorie 2.4 Tight-Binding-Verfahren 2.5 Dichtefunktionalbasiertes Tight-Binding-Verfahren 2.6 Fermienergie, Zustandsdichte und Bandstruktur 2.7 Landauer-Formalismus 2.8 Transportmechanismen und Lokalisierungseffekte 3 Greenfunktions-Formalismus 3.1 Definition der Greenfunktion 3.2 Greenfunktion für die Schrödingergleichung 3.3 Dezimierungstechnik 3.4 Einfacher Algorithmus für periodische Matrizen 3.5 Renormierungs-Dezimierungs-Algorithmus 3.6 Erste Nebendiagonalgreenfunktionsblöcke für periodische Matrizen 3.7 Rekursiver Greenfunktions-Formalismus für endliche Matrizen 4 Elektronische Struktur und quantenmechanischer Transport 4.1 Quantenmechanische Systeme mit Elektrodenkopplung 4.1.1 Reduktion und Lösung der Schrödingergleichung 4.1.2 Elektronische Struktur: Spektralfunktion und Zustandsdichte 4.1.3 Elektronischer Transport: Transmissionsspektrum und Strom 4.2 Quasi-eindimensionale Systeme 4.2.1 Zustandsdichte 4.2.2 Transmissionsspektrum 4.3 Numerischer Aufwand 5 Simulation: Software und Algorithmen 5.1 Atomistix ToolKit 5.2 DFTB-Parametersätze 5.3 LAPACK, BLAS 5.4 Überblick über selbst implementierte Programme 6 Ergebnisse 6.1 Testrechnungen 6.1.1 Genauigkeitstest 6.1.2 Geschwindigkeitstest 6.1.3 Parametersatz 6.1.4 Konsistenztest 6.2 Darstellung der Strukturen 6.3 Transmissionsspektren für einen Defekt 6.4 Transmissionsspektren für zwei Defekte 6.5 Transmissionsspektren für zufällig verteilte Defekte 6.6 Abhängigkeit der Leitfähigkeit von der Defektanzahl 6.7 Abhängigkeit der Leitfähigkeit vom CNT-Durchmesser 6.8 Abschließende Bemerkungen und Vergleich zu anderen Arbeiten 7 Zusammenfassung und Ausblick A Anhänge A.1 Orthogonale Transformation der p-Orbitale A.2 Operatordarstellung der Greenfunktion A.3 Berechnung der Greenfunktionsblöcke A.4 Transmission durch die doppelte Potentialbarriere Tabellenverzeichnis Abbildungsverzeichnis Literaturverzeichnis Danksagung Selbstständigkeitserklärung