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In this work, the structural, electronic, and optical properties of CdS nanoparticles with sizes up to 4nm have been calculated using density-functional theory (DFT). Inaccuracies in the description of the unoccupied states of the applied density-functional based tight-binding method (DFTB) are overcome by a new SCF-DFTB method. Density-functional-based calculations employing linear-response theory have been performed on cadmium sulfide nanoparticles considering different stoichiometries, underlying crystal structures (zincblende, wurtzite, rocksalt), particle shapes (spherical, cuboctahedral, tetrahedral), and saturations (unsaturated, partly saturated, completely saturated). For saturated particles, the calculated onset excitations are strong excitonic. The quantum-confinement effect in the lowest excitation is visible as the excitation energy decreases towards the bulk band gap with increasing particle size. Dangling bonds at unsaturated surface atoms introduce trapped surface states which lie below the lowest excitations of the completely saturated particles. The molecular orbitals (MOs), that are participating in the excitonic excitations, show the shape of the angular momenta of a hydrogen atom (s, p). Zincblende- and wurtzite-derived particles show very similar spectra, whereas the spectra of rocksalt-derived particles are rather featureless. Particle shapes that confine the orbital wavefunctions strongly (tetrahedron) give rise to less pronounced spectra with lower oscillator strengths. Finally, a very good agreement of the calculated data to experimentally available spectra and excitation energies is found.

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 dissertation deals with the calculation of the mechanical properties, electronic structure, electronic transport, and optical properties of strained carbon nanotubes (CNTs). CNTs are discussed for straintronics as their electronic bands show a strong strain-sensitivity. Further, CNTs are stiff, possess a large rupture strain and they are chemically inert, which make them a suitable material in terms of reliability and functionality for straintronic devices. Therefore, this work aims to explore the potential of strain-dependent CNT devices with regard to their mechanical, electronic, and optical properties from a first-principles point of view. There is no work so far that systematically compares these strain-dependent, physical properties from ab initio calculations, which are suitable for small CNTs only, to tight-binding calculations, which are suitable to model large CNTs. First, the structural and mechanical properties of CNTs are investigated: Structural properties are obtained by geometry optimization of many CNTs using density functional theory (DFT). The mechanical properties of CNTs are calculated in the same way. The resulting stress-strain relations are investigated and their key parameters are systematically displayed with respect to the CNT chirality and radius. The ground state electronic properties are calculated using tight-binding models and DFT. Both methods are compared systematically and it is explored where the tight-binding approximation can be applied in order to obtain meaningful results. On top of the electronic structure, a transport model is used to calculate the current through strained CNTs. The model includes the effect of ballistic conductance, parametrized electron-phonon scattering and the influence of an applied gate voltage. Finally, a computationally efficient model is described, which is able to predict the current through strained CNT transistors and enables to find optimal operation regimes for single-chirality devices and devices containing CNT mixtures. Optical properties of strained CNTs are explored by calculating quasiparticle excitations by the means of the GW approximation and the solution of the Bethe-Salpeter equation for CNT excitons. Due to the numerical effort of these approaches, the data for just one CNT is obtained. Still, it is explored how the above-mentioned many-body properties can be related to the ground state results for this CNT. This finally leads to empirical approaches that approximately describe the many-body results from the ground state properties. It is elucidated how such a model can be generalized to other CNTs in order to describe the strain dependence of their optical transitions. / Diese Dissertation befasst sich mit der Berechnung der mechanischen Eigenschaften, der elektronischen Struktur, der Transport- und der optischen Eigenschaften von verspannten Kohlenstoffnanoröhrchen (engl. carbon nanotubes, CNTs). CNTs werden für die Straintronik diskutiert, da ihre elektronischen Bänder eine starke Dehnungsempfindlichkeit aufweisen. Weiterhin sind CNTs steif, besitzen eine hohe Zugfestigkeit und sind chemisch inert, weshalb sie in Bezug auf Zuverlässigkeit und Funktionalität ein geeignetes Material für straintronische Bauelemente sind. Ziel dieser Arbeit ist es daher, das Potenzial von dehnungsabhängigen CNT-Bauteilen hinsichtlich ihrer mechanischen, elektronischen und optischen Eigenschaften aus der Perspektive von first principles-Methoden zu untersuchen. Es gibt bisher keine Arbeit, in der die Ergebnisse verschiedener Methoden – ab initio-basierte Berechnungen für kleine CNTs und tight-binding Berechnungen, die näherungsweise die elektronische Struktur großer CNTs beschreiben – miteinander systematisch vergleicht. Einführend werden die strukturellen und mechanischen Eigenschaften von CNTs untersucht: Strukturelle Eigenschaften ergeben sich durch Geometrieoptimierung vieler CNTs mittels Dichtefunktionaltheorie (DFT). Die mechanischen Eigenschaften von CNTs werden in gleicher Weise berechnet. Die daraus resultierenden Spannungs-Dehnungs-Beziehungen werden untersucht und deren relevante Parameter systematisch in Abhängigkeit von CNT-Chiralität und CNT-Radius dargestellt. Die Eigenschaften des CNT-Grundzustands werden unter Verwendung von tight-binding-Modellen und DFT berechnet. Beide Methoden werden systematisch verglichen und es wird untersucht, wo die tight-binding-Näherung angewendet werden kann, um aussagekräftige Ergebnisse zu erzielen. Basierend auf der elektronischen Struktur der CNTs wird ein Transportmodell aufgesetzt, durch das der Strom durch verspannte CNTs berechnet werden kann. Dieses Modell beinhaltet den Einfluss der ballistischen Leitfähigkeit, Elektron-Phonon-Streuung in parametrisierter Form und den Einfluss eines Gates. Damit wird ein numerisch effizientes Modell beschrieben, das in der Lage ist, den Strom durch verspannte CNT-Transistoren vorherzusagen. Auf dessen Basis wird es möglich, optimale Arbeitsbereiche für reine CNT-Bauelemente und Bauelemente mit CNT-Mischungen zu berechnen. Die optischen Eigenschaften verspannter CNTs werden durch die Berechnung von Quasiteilchenanregungen mittels der GW-Approximation und der Lösung der Bethe-Salpeter-Gleichung für CNT-Exzitonen untersucht. Aufgrund des numerischen Aufwandes dieser Ansätze werden diese Daten für nur ein CNT erhalten. Daran wird der Zusammenhang zwischen den oben genannten Vielteilchen-Eigenschaften und den Grundzustandseigenschaften für dieses CNT demonstriert. Daraus ergeben sich empirische Ansätze, die es gestatten, die Vielteilchen-Ergebnisse näherungsweise auf die elektronischen Grundzustandseigenschaften zurückzuführen. Es wird dargestellt, wie ein solches Modell für andere CNTs verallgemeinert werden kann, um die Verspannungsabhängigkeit ihrer optischen Übergänge zu beschreiben.

This dissertation deals with the calculation of the mechanical properties, electronic structure, electronic transport, and optical properties of strained carbon nanotubes (CNTs). CNTs are discussed for straintronics as their electronic bands show a strong strain-sensitivity. Further, CNTs are stiff, possess a large rupture strain and they are chemically inert, which make them a suitable material in terms of reliability and functionality for straintronic devices. Therefore, this work aims to explore the potential of strain-dependent CNT devices with regard to their mechanical, electronic, and optical properties from a first-principles point of view. There is no work so far that systematically compares these strain-dependent, physical properties from ab initio calculations, which are suitable for small CNTs only, to tight-binding calculations, which are suitable to model large CNTs. First, the structural and mechanical properties of CNTs are investigated: Structural properties are obtained by geometry optimization of many CNTs using density functional theory (DFT). The mechanical properties of CNTs are calculated in the same way. The resulting stress-strain relations are investigated and their key parameters are systematically displayed with respect to the CNT chirality and radius. The ground state electronic properties are calculated using tight-binding models and DFT. Both methods are compared systematically and it is explored where the tight-binding approximation can be applied in order to obtain meaningful results. On top of the electronic structure, a transport model is used to calculate the current through strained CNTs. The model includes the effect of ballistic conductance, parametrized electron-phonon scattering and the influence of an applied gate voltage. Finally, a computationally efficient model is described, which is able to predict the current through strained CNT transistors and enables to find optimal operation regimes for single-chirality devices and devices containing CNT mixtures. Optical properties of strained CNTs are explored by calculating quasiparticle excitations by the means of the GW approximation and the solution of the Bethe-Salpeter equation for CNT excitons. Due to the numerical effort of these approaches, the data for just one CNT is obtained. Still, it is explored how the above-mentioned many-body properties can be related to the ground state results for this CNT. This finally leads to empirical approaches that approximately describe the many-body results from the ground state properties. It is elucidated how such a model can be generalized to other CNTs in order to describe the strain dependence of their optical transitions. / Diese Dissertation befasst sich mit der Berechnung der mechanischen Eigenschaften, der elektronischen Struktur, der Transport- und der optischen Eigenschaften von verspannten Kohlenstoffnanoröhrchen (engl. carbon nanotubes, CNTs). CNTs werden für die Straintronik diskutiert, da ihre elektronischen Bänder eine starke Dehnungsempfindlichkeit aufweisen. Weiterhin sind CNTs steif, besitzen eine hohe Zugfestigkeit und sind chemisch inert, weshalb sie in Bezug auf Zuverlässigkeit und Funktionalität ein geeignetes Material für straintronische Bauelemente sind. Ziel dieser Arbeit ist es daher, das Potenzial von dehnungsabhängigen CNT-Bauteilen hinsichtlich ihrer mechanischen, elektronischen und optischen Eigenschaften aus der Perspektive von first principles-Methoden zu untersuchen. Es gibt bisher keine Arbeit, in der die Ergebnisse verschiedener Methoden – ab initio-basierte Berechnungen für kleine CNTs und tight-binding Berechnungen, die näherungsweise die elektronische Struktur großer CNTs beschreiben – miteinander systematisch vergleicht. Einführend werden die strukturellen und mechanischen Eigenschaften von CNTs untersucht: Strukturelle Eigenschaften ergeben sich durch Geometrieoptimierung vieler CNTs mittels Dichtefunktionaltheorie (DFT). Die mechanischen Eigenschaften von CNTs werden in gleicher Weise berechnet. Die daraus resultierenden Spannungs-Dehnungs-Beziehungen werden untersucht und deren relevante Parameter systematisch in Abhängigkeit von CNT-Chiralität und CNT-Radius dargestellt. Die Eigenschaften des CNT-Grundzustands werden unter Verwendung von tight-binding-Modellen und DFT berechnet. Beide Methoden werden systematisch verglichen und es wird untersucht, wo die tight-binding-Näherung angewendet werden kann, um aussagekräftige Ergebnisse zu erzielen. Basierend auf der elektronischen Struktur der CNTs wird ein Transportmodell aufgesetzt, durch das der Strom durch verspannte CNTs berechnet werden kann. Dieses Modell beinhaltet den Einfluss der ballistischen Leitfähigkeit, Elektron-Phonon-Streuung in parametrisierter Form und den Einfluss eines Gates. Damit wird ein numerisch effizientes Modell beschrieben, das in der Lage ist, den Strom durch verspannte CNT-Transistoren vorherzusagen. Auf dessen Basis wird es möglich, optimale Arbeitsbereiche für reine CNT-Bauelemente und Bauelemente mit CNT-Mischungen zu berechnen. Die optischen Eigenschaften verspannter CNTs werden durch die Berechnung von Quasiteilchenanregungen mittels der GW-Approximation und der Lösung der Bethe-Salpeter-Gleichung für CNT-Exzitonen untersucht. Aufgrund des numerischen Aufwandes dieser Ansätze werden diese Daten für nur ein CNT erhalten. Daran wird der Zusammenhang zwischen den oben genannten Vielteilchen-Eigenschaften und den Grundzustandseigenschaften für dieses CNT demonstriert. Daraus ergeben sich empirische Ansätze, die es gestatten, die Vielteilchen-Ergebnisse näherungsweise auf die elektronischen Grundzustandseigenschaften zurückzuführen. Es wird dargestellt, wie ein solches Modell für andere CNTs verallgemeinert werden kann, um die Verspannungsabhängigkeit ihrer optischen Übergänge zu beschreiben.

We theoretically investigate the influence of defect-induced long-range deformations in carbon nanotubes on their electronic transport properties. To this end we perform numerical ab-initio calculations using a density-functional-based tight-binding model for various tubes with vacancies. The geometry optimization leads to a change of the atomic positions. There is a strong reconstruction of the atoms near the defect (called 'distortion') and there is an additional long-range deformation. The impact of both structural features on the conductance is systematically investigated. We compare short and long CNTs of different kinds with and without long-range deformation. We find for the very thin (9, 0)-CNT that the long-range deformation additionally affects the transmission spectrum and the conductance compared to the short-range lattice distortion. The conductance of the larger (11, 0)-or the (14, 0)-CNT is overall less affected implying that the influence of the long-range deformation decreases with increasing tube diameter. Furthermore, the effect can be either positive or negative depending on the CNT type and the defect type. Our results indicate that the long-range deformation must be included in order to reliably describe the electronic structure of defective, small-diameter zigzag tubes.

We investigate the electronic transport properties of semiconducting (m, n) carbon nanotubes (CNTs) on the mesoscopic length scale with arbitrarily distributed realistic defects. The study is done by performing quantum transport calculations based on recursive Green's function techniques and an underlying density-functional-based tight-binding model for the description of the electronic structure. Zigzag CNTs as well as chiral CNTs of different diameter are considered. Different defects are exemplarily represented by monovacancies and divacancies. We show the energy-dependent transmission and the temperature-dependent conductance as a function of the number of defects. In the limit of many defetcs, the transport is described by strong localization. Corresponding localization lengths are calculated (energy dependent and temperature dependent) and systematically compared for a large number of CNTs. It is shown, that a distinction by (m − n)mod 3 has to be drawn in order to classify CNTs with different bandgaps. Besides this, the localization length for a given defect probability per unit cell depends linearly on the CNT diameter, but not on the CNT chirality. Finally, elastic mean free paths in the diffusive regime are computed for the limit of few defects, yielding qualitatively same statements.

The development of interatomic potentials for magnetic transition metals, and particularly for iron, is difficult, yet it is also necessary for large-scale atomistic simulations of industrially important iron and steel alloys. The magnetism of iron is especially important as it is responsible for many of the element's unique physical properties -- its bcc ground state structure, its high-temperature phase transitions, and the mobility of its self-interstitial atom (SIA) defects. Yet an accurate description of itinerant magnetism within a real-space formalism is particularly challenging and existing interatomic potentials based on the Embedded Atom Method are suited only for studies of near-equilibrium ferritic iron, due to their restricted functional forms. For this work, the magnetic analytic Bond-Order Potential (BOP) method has been implemented in full to test the convergence properties in both collinear and non-collinear magnetic iron. The known problems with negative densities of states (DOS) are addressed by assessing various possible definitions for the bandwidth and by including the damping factors adapted from the Kernel Polynomial Method. A 9-moment approximation is found to be sufficient to reproduce the major structural energy differences observed in Density Functional Theory (DFT) and Tight Binding (TB) reference calculations, as well as the volume dependence of the atomic magnetic moments. The Bain path connecting bcc and fcc structures and the formation energy of mono- and divacancies are also described well at this level of approximation. Other quantities such as the high-spin/low-spin transition in fcc iron, the bcc elastic constants and the SIA formation energies converge more slowly towards the TB reference data. The theory of non-collinear magnetism within analytic BOP is extended as required for a practical implementation. The spin-rotational behaviour of the energy is shown to converge more slowly than the collinear bulk energy differences, and there are specific problems at low angles of rotation where the magnitude of the magnetic moment depends sensitively on the detailed structure of the local DOS. Issues of charge transfer in relation to magnetic defects are discussed, as well as inadequacies in the underlying d-electron TB model.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.