This thesis deals with nanoelectromechanical systems in the quantum regime. Nanoelectromechanical systems are systems where a mechanical degree of freedom of rather macroscopic size is coupled to an electronic degree of freedom. The mechanical degree of freedom can without any constraints be modeled as the fundamental mode of a harmonic oscillator. Due to their size and the energy scales involved in the setting, quantum mechanics plays an important role in their description. We investigate transport through such nanomechanical devices where our focus lies on the quantum regime. We use non-equilibrium methods to fully cover quantum effects in setups where the mechanical oscillator is part of a tunnel junction. In such setups, the mechanical motion influences the tunneling amplitude and thereby the transport properties through the device. The electronics in these setups can then be used to probe and characterize the mechanical oscillator through signatures in transport quantities such as the average current or the current noise. The interplay between the mechanical motion and other physical degrees of freedom can also be used to characterize these other degrees of freedom, i.e., the nanomechanical oscillator can be used as a detector. In this thesis, we will show that a nanomechanical oscillator can be used as a detector for rather exotic degrees of freedom, namely Majorana bound states which recently attracted great interest, theoretically as well as experimentally. Again, the quantum regime plays an essential role in this topic. One of the major manifestations of quantum mechanics is entanglement between two quantum systems. Entanglement of quantum systems with few (discrete) degrees of freedom is a well established and understood subject experimentally as well as theoretically. Here, we investigate quantum entanglement between two macroscopic continuous variable systems. We study different setups where it is possible to entangle two nanomechanical oscillators which are not directly coupled to each other. We conclude with reviewing the obtained results and discuss open questions and possible future developments on the quantum aspects of nanomechanical systems. / Diese Arbeit beschäftigt sich mit den quantenmechanischen Aspekten von nanoelektromechanischen Systemen. In nanomechanischen Systemen koppelt ein nahezu makroskopischer mechanischer Freiheitsgrad an einen elektronischen Freiheitsgrad. Ohne weitere Einschränkungen kann der mechanische Freiheitsgrad mit der fundamentalen Anregung eines harmonischen Oszillators beschrieben werden. Auf Grund der Größenordnung von beteiligten Längen- und Energieskalen spielt die Quantenmechanik eine sehr wichtige und nicht zu vernachlässigende Rolle in der Beschreibung dieser Systeme. In dieser Arbeit untersuchen wir elektrische Transporteigenschaften in solchen nanomechanischen Elementen, wobei unser Fokus in der Quantennatur dieser Systeme liegt. Um quantenmechanische Effekte gänzlich zu berücksichtigen, verwenden wir Nichtgleichgewichts-Methoden wie zum Beispiel den Keldysh Formalismus. Wir konzentrieren uns hauptsächlich auf Systeme, in denen der nanomechanische Oszillator Teil eines Tunnelkontaktes ist. In solchen Anordnungen wird die Tunnelbarriere durch den Oszillator moduliert, was zur Folge hat, dass auch die elektronischen Transporteigenschaften beeinflusst werden. Durch Signaturen in Transportgrößen der Elektronik, wie zum Beispiel des mittleren Tunnel-Stroms oder des Stromrauschens, ist es nun möglich den nanomechanischen Oszillator zu untersuchen und zu charakterisieren. Die Wechselwirkung zwischen dem mechanischem Freiheitsgrad und anderen Freiheitsgraden ermöglicht es diese anderen Freiheitsgrade zu charakterisieren. Folglich kann der nanomechanische Oszillator als Detektor benutzt werden. In dieser Arbeit zeigen wir, dass der nanomechanische Oszillator als Detektor für sehr exotische physikalische Freiheitsgrade verwendet werden kann. Diese exotischen Freiheitsgrade sind sogenannte gebundene Majoranazustände, die kürzlich in der theoretischen und experimentellen Physik viel Aufsehen erregt haben. Hier spielt die quantenmechanische Beschreibung des Systems wiederum eine große Rolle. Eines der wichtigsten und faszinierendsten Phänomene der Quantenmechanik ist die quantenmechanische Verschränkung zweier Quantensysteme. Die Verschränkung von quantenmechanischen Systemen mit wenigen (diskreten) Freiheitsgraden ist ein theoretisch und experimentell sehr gut verstandenes Phänomen. Wir untersuchen Verschränkung zwischen zwei makroskopischen Systemen mit kontinuierlichen Freiheitsgraden in zwei verschiedenen Anordnungen, die es erlauben zwei nanomechanische Oszillatoren zu verschränken, die nicht direkt miteinander gekoppelt sind. Schließlich fassen wir unsere Ergebnisse zusammen und diskutieren offene Fragen und künftige Entwicklungen, die sich mit der Quantennatur nanoelektromechanischer Systeme beschäftigen.

Ulm, Univ., Diss., 2008.

Zugl.: Freiburg (Breisgau), Univ., Diss., 2009

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.