In the present work, we discuss two subjects related to the nonequilibrium dynamics of polymers or biological filaments adsorbed to two-dimensional substrates. <br><br> The first part is dedicated to thermally activated dynamics of polymers on structured substrates in the presence or absence of a driving force. The structured substrate is represented by double-well or periodic potentials. We consider both homogeneous and point driving forces. Point-like driving forces can be realized in single molecule manipulation by atomic force microscopy tips. Uniform driving forces can be generated by hydrodynamic flow or by electric fields for charged polymers. <br><br> In the second part, we consider collective filament motion in motility assays for motor proteins, where filaments glide over a motor-coated substrate. The model for the simulation of the filament dynamics contains interactive deformable filaments that move under the influence of forces from molecular motors and thermal noise. Motor tails are attached to the substrate and modeled as flexible polymers (entropic springs), motor heads perform a directed walk with a given force-velocity relation. We study the collective filament dynamics and pattern formation as a function of the motor and filament density, the force-velocity characteristics, the detachment rate of motor proteins and the filament interaction. In particular, the formation and statistics of filament patterns such as nematic ordering due to motor activity or clusters due to blocking effects are investigated. Our results are experimentally accessible and possible experimental realizations are discussed. / In der vorliegenden Arbeit behandeln wir zwei Probleme aus dem Gebiet der Nichtgleichgewichtsdynamik von Polymeren oder biologischen Filamenten, die an zweidimensionale Substrate adsorbieren. <br><br> Der erste Teil befasst sich mit der thermisch aktivierten Dynamik von Polymeren auf strukturierten Substraten in An- oder Abwesenheit einer treibenden Kraft. Das strukturierte Substrat wird durch Doppelmulden- oder periodische Potentiale dargestellt. Wir betrachten sowohl homogene treibende Kräfte als auch Punktkräfte. Punktkräfte können bei der Manipulation einzelner Moleküle mit die Spitze eines Rasterkraftmikroskops realisiert werden. Homogene Kräfte können durch einen hydrodynamischen Fluss oder ein elektrisches Feld im Falle geladener Polymere erzeugt werden. <br><br> Im zweiten Teil betrachten wir die kollektive Bewegung von Filamenten in Motility-Assays, in denen Filamente über ein mit molekularen Motoren überzogenes Substrat gleiten. Das Modell zur Simulation der Filamentdynamik beinhaltet wechselwirkende, deformierbare Filamente, die sich unter dem Einfluss von Kräften, die durch molekulare Motoren erzeugt werden, sowie thermischem Rauschen bewegen. Die Schaftdomänen der Motoren sind am Substrat angeheftet und werden als flexible Polymere (entropische Federn) modelliert. Die Kopfregionen der Motoren vollführen eine gerichtete Schrittbewegung mit einer gegebenen Kraft-Geschwindigkeitsbeziehung. Wir untersuchen die kollektive Filamentdynamik und die Ausbildung von Mustern als Funktion der Motor- und der Filamentdichte, der Kraft-Geschwindigkeitscharakteristik, der Ablöserate der Motorproteine und der Filamentwechselwirkung. Insbesondere wird die Bildung und die Statistik der Filamentmuster, wie etwa die nematische Anordnung aufgrund der Motoraktivität oder die Clusterbildung aufgrund von Blockadeeffekten, untersucht. Unsere Ergebnisse sind experimentell zugänglich und mögliche experimentelle Realisierungen werden diskutiert.

The asymptotic state of a quantum system, which is in contact with a heat bath, is strongly disturbed by a time-periodic driving in comparison to a time-independent system. In this thesis an extensive picture of the asymptotic state of time-periodic quantum systems is drawn by relating it to the structure of the corresponding classical phase space. To this end the occupation probabilities of the Floquet states are analyzed with respect to their semiclassical property of being either regular or chaotic. The regular Floquet states are occupied with exponential weights e^{-betaeff Ereg} similar to the canonical weights e^{-beta E} of time-independent systems. The regular energies Ereg are defined by the quantization of the time-periodic system, whose classical properties also determine the effective temperature 1/betaeff. In contrast, the chaotic Floquet states acquire almost equal probabilities, irrespective of their time-averaged energy. Beyond these semiclassical properties the existence of avoided crossings in the spectrum is an intrinsic quantum property of time-periodic systems. Avoided crossings can strongly influence the entire occupation distribution. As an impressive application a novel switching mechanism is proposed in a periodically driven double well potential coupled to a heat bath. By a weak variation of the driving amplitude its asymptotic state is switched from the ground state in one well to a state with higher average energy in the other well. / Der asymptotische Zustand eines Quantensystems, das in Kontakt mit einem Wärmebad steht, wird durch einen zeitlich periodischen Antrieb gegenüber einem zeitunabhängigen System nachhaltig verändert. In dieser Arbeit wird ein umfassendes Bild über den asymptotischen Zustand zeitlich periodischer Quantensysteme entworfen, indem es diesen zur Struktur des zugehörigen klassischen Phasenraums in Beziehung setzt. Dazu werden die Besetzungswahrscheinlichkeiten der Floquet-Zustände hinsichtlich ihrer semiklassischen Eigenschaft analysiert, nach welcher sie entweder regulär oder chaotisch sind. Die regulären Floquet-Zustände sind mit exponentiellen Gewichten e^{-betaeff Ereg} ähnlich der kanonischen Verteilung e^{-beta E} zeitunabhängiger Systeme besetzt. Dabei sind die reguläre Energien Ereg durch die Quantisierung des Systems vorgegeben, dessen klassische Eigenschaften auch die effektive Temperatur 1/betaeff bestimmen. Die chaotischen Zustände dagegen haben fast einheitliche Besetzungswahrscheinlichkeiten, welche unabhängig von ihrer mittleren Energie sind. Über diese semiklassischen Eigenschaften hinaus ist das Auftreten von vermiedenen Kreuzungen im Spektrum eine intrinsisch quantenmechanische Eigenschaft zeitlich periodischer Systeme. Diese können die gesamte Besetzungsverteilung nachhaltig beeinflussen und finden eine eindrucksvolle Anwendung in Form eines neuartigen Schaltmechanismus in einem harmonisch modulierten Doppelmuldenpotential in Kontakt mit einem Wärmebad. Der asymptotische Zustand kann unter geringer Variation der Antriebsamplitude vom Grundzustand der einen Mulde in einen Zustand höherer mittlerer Energie in der anderen Mulde geschaltet werden.

The asymptotic state of a quantum system, which is in contact with a heat bath, is strongly disturbed by a time-periodic driving in comparison to a time-independent system. In this thesis an extensive picture of the asymptotic state of time-periodic quantum systems is drawn by relating it to the structure of the corresponding classical phase space. To this end the occupation probabilities of the Floquet states are analyzed with respect to their semiclassical property of being either regular or chaotic. The regular Floquet states are occupied with exponential weights e^{-betaeff Ereg} similar to the canonical weights e^{-beta E} of time-independent systems. The regular energies Ereg are defined by the quantization of the time-periodic system, whose classical properties also determine the effective temperature 1/betaeff. In contrast, the chaotic Floquet states acquire almost equal probabilities, irrespective of their time-averaged energy. Beyond these semiclassical properties the existence of avoided crossings in the spectrum is an intrinsic quantum property of time-periodic systems. Avoided crossings can strongly influence the entire occupation distribution. As an impressive application a novel switching mechanism is proposed in a periodically driven double well potential coupled to a heat bath. By a weak variation of the driving amplitude its asymptotic state is switched from the ground state in one well to a state with higher average energy in the other well. / Der asymptotische Zustand eines Quantensystems, das in Kontakt mit einem Wärmebad steht, wird durch einen zeitlich periodischen Antrieb gegenüber einem zeitunabhängigen System nachhaltig verändert. In dieser Arbeit wird ein umfassendes Bild über den asymptotischen Zustand zeitlich periodischer Quantensysteme entworfen, indem es diesen zur Struktur des zugehörigen klassischen Phasenraums in Beziehung setzt. Dazu werden die Besetzungswahrscheinlichkeiten der Floquet-Zustände hinsichtlich ihrer semiklassischen Eigenschaft analysiert, nach welcher sie entweder regulär oder chaotisch sind. Die regulären Floquet-Zustände sind mit exponentiellen Gewichten e^{-betaeff Ereg} ähnlich der kanonischen Verteilung e^{-beta E} zeitunabhängiger Systeme besetzt. Dabei sind die reguläre Energien Ereg durch die Quantisierung des Systems vorgegeben, dessen klassische Eigenschaften auch die effektive Temperatur 1/betaeff bestimmen. Die chaotischen Zustände dagegen haben fast einheitliche Besetzungswahrscheinlichkeiten, welche unabhängig von ihrer mittleren Energie sind. Über diese semiklassischen Eigenschaften hinaus ist das Auftreten von vermiedenen Kreuzungen im Spektrum eine intrinsisch quantenmechanische Eigenschaft zeitlich periodischer Systeme. Diese können die gesamte Besetzungsverteilung nachhaltig beeinflussen und finden eine eindrucksvolle Anwendung in Form eines neuartigen Schaltmechanismus in einem harmonisch modulierten Doppelmuldenpotential in Kontakt mit einem Wärmebad. Der asymptotische Zustand kann unter geringer Variation der Antriebsamplitude vom Grundzustand der einen Mulde in einen Zustand höherer mittlerer Energie in der anderen Mulde geschaltet werden.

Die fortschreitenden Entwicklungen in der Mikro- und Nanotechnologie erfordern eine solide Unterstützung durch Simulationen. Numerische Bauelementesimulationen waren und sind dabei unerlässliche Werkzeuge, die jedoch zunehmend an ihre Grenzen kommen. So basieren sie auf Parametern, die für beliebige Atomanordnungen nicht verfügbar sind, und scheitern für stark verkleinerte Strukturen infolge zunehmender Relevanz von Quanteneffekten. Diese Arbeit behandelt den Transport in Siliziumnanodrähten sowie durch NiSi2-Si-Grenzflächen. Dichtefunktionaltheorie wird dabei verwendet, um die stabile Atomanordnung und alle für den elektronischen Transport relevanten quantenmechanischen Effekte zu beschreiben. Bei der Untersuchung der Nanodrähte liegt das Hauptaugenmerk auf der radialen Abhängigkeit der elektronischen Struktur sowie deren Änderung bei Variation des Durchmessers. Dabei zeigt sich, dass der Kern der Nanodrähte für den Ladungstransport bestimmend ist. Weiterhin kann ein Durchmesser von ungefähr 5 nm identifiziert werden, oberhalb dessen die Zustandsdichte im Nanodraht große Ähnlichkeiten mit jener des Silizium-Volumenkristalls aufweist und der Draht somit zunehmend mit Näherungen für den perfekt periodischen Kristall beschrieben werden kann. Der Fokus bei der Untersuchung der NiSi2-Si-Grenzflächen liegt auf der Symmetrie von Elektron- und Lochströmen im Tunnelregime, welche für die Entwicklung von rekonfigurierbaren Feldeffekttransistoren besondere Relevanz hat. Verschiedene NiSi2-Si-Grenzflächen und Verzerrungszustände werden dabei systematisch untersucht. Je nach Grenzfläche ist die Symmetrie dabei sehr unterschiedlich und zeigt auch ein sehr unterschiedliches Verhalten bei externer Verzerrung. Weiterhin werden grundlegende physikalische Größen mit Bezug zu NiSi2-Si-Grenzflächen betrachtet. So wird beispielsweise die Stabilität anhand von Grenzflächen-Energien ermittelt. Am stabilsten sind {111}-Grenzflächen, was deren bevorzugtes Auftreten in Experimenten erklärt. Weitere wichtige Größen, deren Verzerrungsabhängigkeit untersucht wird, sind die Schottky-Barrierenhöhe, die effektive Masse der Ladungsträger sowie die Austrittsarbeiten von NiSi2- und Si-Oberflächen. Ein Beitrag zur Modellentwicklung numerischer Bauelementesimulationen wird durch einen Vergleich zwischen den Ergebnissen von Dichtefunktionaltheorie-basierten Transportrechnungen und denen eines vereinfachten Models basierend auf der Wentzel-Kramers-Brillouin-Näherung geliefert. Diese Näherung ist Teil vieler numerischer Bauelementesimulatoren und erlaubt die Berechnung des Tunnelstroms basierend auf grundlegenden physikalischen Größen. Der Vergleich ermöglicht eine Evaluierung des vereinfachten Models, welches anschließend genutzt wird, um den Einfluss der grundlegenden physikalischen Größen auf den Tunneltransport zu untersuchen.:Index of Abbreviations 1. Introduction 2. Silicon Based Devices and Silicon Nanowires 2.1. Introduction 2.2. The Reconfigurable Field-effect Transistor 2.2.1. Design and Functionality 2.2.2. Fabrication 2.3. Overview Over Silicon Nanowires 2.3.1. Geometric Structure 2.3.2. Fabrication Techniques 2.3.3. Electronic Properties 3. Simulation Tools 3.1. Introduction 3.2. Electronic Structure Calculations 3.2.1. Introduction and Basis Functions 3.2.2. Density Functional Theory 3.2.3. Description of Exchange and Correlation Effects 3.2.4. Practical Aspects of Density Functional Theory 3.3. Electron Transport 3.3.1. Introduction 3.3.2. Scattering Theory 3.3.3. Wentzel-Kramers-Brillouin Approximation for a Triangular Barrier 3.3.4. Non-equilibrium Green’s Function Formalism A. Radially Resolved Electronic Structure and Charge Carrier Transport in Silicon Nanowires A.1. Introduction A.2. Model System A.3. Results and Discussion A.4. Summary and Conclusions A.5. Appendix A: Computational Details A.6. Appendix B: Supplementary Material A.6.1. Comparison of the Band Gap Between Relaxed and Unrelaxed SiNWs A.6.2. Band Structures for Some of the Calculated SiNWs A.6.3. Radially Resolved Density of States for Some of the Calculated SiNWs B. Electron Transport Through NiSi2-Si Contacts and Their Role in Reconfigurable Field-effect Transistors B.1. Introduction B.2. Model for Reconfigurable Field-effect Transistors B.2.1. Atomistic Quantum Transport Model to Describe Transport Across the Contact Interface B.2.2. Simplified Compact Model to Calculate the Device Characteristics B.3. Results and Discussion B.3.1. Characteristics of a Reconfigurable Field-effect Transistor B.3.2. Variation of the Crystal Orientations and Influence of the Schottky Barrier B.3.3. Comparison to Fabricated Reconfigurable Field-effect Transistors B.4. Summary and Conclusions B.5. Appendix: Supplementary Material B.5.1. Band Structure and Density of States of the Contact Metal B.5.2. Relaxation Procedure B.5.3. Total Transmission Through Multiple Barriers C. Formation and Crystallographic Orientation of NiSi2-Si Interfaces C.1. Introduction C.2. Fabrication and characterization methods C.3. Model System and Simulation Details C.4. Results and discussion C.4.1. Atomic structure of the interface C.4.2. Discussion of ways to modify the interface orientation C.5. Summary C.6. Appendix: Supplementary Material D. NiSi2-Si Interfaces Under Strain: From Bulk and Interface Properties to Tunneling Transport D.1. Introduction D.2. Model System and Simulation Approach D.3. Computational Details D.3.1. Electronic Structure Calculations (Geometry Relaxations) D.3.2. Electronic Structure Calculations (Electronic Structure) D.3.3. Device Calculations D.4. Tunneling Transport From First-principles Calculations D.4.1. Evaluation of the Current D.4.2. Isotropic Strain D.4.3. Anisotropic Strain D.5. Transport Related Properties and Effective Modeling Schemes D.5.1. Schottky Barrier Height D.5.2. Simplified Transport Model D.5.3. Models for the Schottky Barrier Height D.6. Summary and Conclusions D.7. Appendix: Supplementary Material D.7.1. Schottky Barriers of the {110} Interface Under Anisotropic Strain D.7.2. Silicon Band Structure, Electric Field, and Number of Transmission Channels D.7.3. k∥-resolved Material Properties D.7.4. Evaluation of the Work Functions and Electron Affinities D.7.5. Verification of the Work Function Calculation 4. Discussion 5. Ongoing Work and Possible Extensions 6. Summary Bibliography List of Figures List of Tables Acknowledgements Selbstständigkeitserklärung Curriculum Vitae Scientific Contributions / The ongoing developments in micro- and nanotechnologies require a profound support from simulations. Numerical device simulations were and still are essential tools to support the device development. However, they gradually reach their limits as they rely on parameters, which are not always available, and neglect quantum effects for small structures. This work addresses the transport in silicon nanowires and through NiSi2-Si interfaces. By using density functional theory, the atomic structure is considered, and all electron transport related quantum effects are taken into account. Silicon nanowires are investigated with special attention to their radially resolved electronic structure and the corresponding modifications when the silicon diameter is reduced. The charge transport occurs mostly in the nanowire core. A diameter of around 5 nm can be identified, above which the nanowire core exhibits a similar density of states as bulk silicon. Thus, bulk approximations become increasingly valid above this diameter. NiSi2-Si interfaces are studied with focus on the symmetry between electron and hole currents in the tunneling regime. The symmetry is especially relevant for the development of reconfigurable field-effect transistors. Different NiSi2-Si interfaces and strain states are studied systematically. The symmetry is found to be different between the interfaces. Changes of the symmetry upon external strain are also very interface dependent. Furthermore, fundamental physical properties related to NiSi2-Si interfaces are evaluated. The stability of the different interfaces is compared in terms of interface energies. {111} interfaces are most stable, which explains their preferred occurrence in experiments. Other properties, whose strain dependence is studied, include the Schottky barrier height, the effective mass of the carriers, and work functions. A contribution to the development of numerical device simulators will be given by comparing the results from density functional theory based transport calculations and a model based on the Wentzel-Kramers-Brillouin approximation. This approximation, which is often employed in numerical device simulators, offers a relation between interface properties and the tunneling transport. The comparison allows an evaluation of the simplified model, which is then used to investigate the relation between the fundamental physical properties and the tunneling transport.:Index of Abbreviations 1. Introduction 2. Silicon Based Devices and Silicon Nanowires 2.1. Introduction 2.2. The Reconfigurable Field-effect Transistor 2.2.1. Design and Functionality 2.2.2. Fabrication 2.3. Overview Over Silicon Nanowires 2.3.1. Geometric Structure 2.3.2. Fabrication Techniques 2.3.3. Electronic Properties 3. Simulation Tools 3.1. Introduction 3.2. Electronic Structure Calculations 3.2.1. Introduction and Basis Functions 3.2.2. Density Functional Theory 3.2.3. Description of Exchange and Correlation Effects 3.2.4. Practical Aspects of Density Functional Theory 3.3. Electron Transport 3.3.1. Introduction 3.3.2. Scattering Theory 3.3.3. Wentzel-Kramers-Brillouin Approximation for a Triangular Barrier 3.3.4. Non-equilibrium Green’s Function Formalism A. Radially Resolved Electronic Structure and Charge Carrier Transport in Silicon Nanowires A.1. Introduction A.2. Model System A.3. Results and Discussion A.4. Summary and Conclusions A.5. Appendix A: Computational Details A.6. Appendix B: Supplementary Material A.6.1. Comparison of the Band Gap Between Relaxed and Unrelaxed SiNWs A.6.2. Band Structures for Some of the Calculated SiNWs A.6.3. Radially Resolved Density of States for Some of the Calculated SiNWs B. Electron Transport Through NiSi2-Si Contacts and Their Role in Reconfigurable Field-effect Transistors B.1. Introduction B.2. Model for Reconfigurable Field-effect Transistors B.2.1. Atomistic Quantum Transport Model to Describe Transport Across the Contact Interface B.2.2. Simplified Compact Model to Calculate the Device Characteristics B.3. Results and Discussion B.3.1. Characteristics of a Reconfigurable Field-effect Transistor B.3.2. Variation of the Crystal Orientations and Influence of the Schottky Barrier B.3.3. Comparison to Fabricated Reconfigurable Field-effect Transistors B.4. Summary and Conclusions B.5. Appendix: Supplementary Material B.5.1. Band Structure and Density of States of the Contact Metal B.5.2. Relaxation Procedure B.5.3. Total Transmission Through Multiple Barriers C. Formation and Crystallographic Orientation of NiSi2-Si Interfaces C.1. Introduction C.2. Fabrication and characterization methods C.3. Model System and Simulation Details C.4. Results and discussion C.4.1. Atomic structure of the interface C.4.2. Discussion of ways to modify the interface orientation C.5. Summary C.6. Appendix: Supplementary Material D. NiSi2-Si Interfaces Under Strain: From Bulk and Interface Properties to Tunneling Transport D.1. Introduction D.2. Model System and Simulation Approach D.3. Computational Details D.3.1. Electronic Structure Calculations (Geometry Relaxations) D.3.2. Electronic Structure Calculations (Electronic Structure) D.3.3. Device Calculations D.4. Tunneling Transport From First-principles Calculations D.4.1. Evaluation of the Current D.4.2. Isotropic Strain D.4.3. Anisotropic Strain D.5. Transport Related Properties and Effective Modeling Schemes D.5.1. Schottky Barrier Height D.5.2. Simplified Transport Model D.5.3. Models for the Schottky Barrier Height D.6. Summary and Conclusions D.7. Appendix: Supplementary Material D.7.1. Schottky Barriers of the {110} Interface Under Anisotropic Strain D.7.2. Silicon Band Structure, Electric Field, and Number of Transmission Channels D.7.3. k∥-resolved Material Properties D.7.4. Evaluation of the Work Functions and Electron Affinities D.7.5. Verification of the Work Function Calculation 4. Discussion 5. Ongoing Work and Possible Extensions 6. Summary Bibliography List of Figures List of Tables Acknowledgements Selbstständigkeitserklärung Curriculum Vitae Scientific Contributions

The continuous migration to smaller feature sizes puts high demands on materials and technologies for future ultra-large-scale integrated circuits. Particularly, the copper-based interconnect system will reach fundamental limits soon. Their outstanding properties make metallic carbon nanotubes (CNTs) an ideal material to partially replace copper in future interconnect architectures. Here, a low contact resistance to existing metal lines is crucial. The present thesis contributes to the theory and numerical description of electronic transport in metallic CNTs with metal contacts. Different theoretical approaches are applied to various contact models and electrode materials (Al, Cu, Pd, Ag, Pt, Au) are compared. Ballistic transport calculations are based on the non-equilibrium Greens function formalism combined with tight-binding (TB), extended Hückel theory (EHT) and density functional theory (DFT). Simplified contact models allow a qualitative investigation of both the influence of geometry and CNT length, and the strength and extent of the contact on the transport properties. In addition, such simple contact models are used to compare the influence of different electronic structure methods on transport. It is found that the semiempirical TB and EHT are inadequate to quantitatively reproduce the DFT-based results. Based on this observation, an improved set of Hückel parameters is developed, which remedies this insufficiency. A systematic investigation of different contact materials is carried out using well defined atomistic metal-CNT-metal structures, optimized in a systematic way. Analytical models for the CNT-metal interaction are proposed. Based on that, electronic transport calculations are carried out, which can be extended to large systems by applying the computationally cheap improved EHT. The metal-CNT-metal systems can then be ranked by average conductance: Ag ≤ Au < Cu < Pt ≤ Pd < Al. This corresponds qualitatively with calculated contact distances, binding energies and work functions of CNTs and metals. To gain a deeper understanding of the transport properties, the electronic structure of the metal-CNT-metal systems and their respective parts is analyzed in detail. Here, the energy resolved local density of states is a valuable tool to investigate the CNT-metal interaction and its influences on the transport. / Die kontinuierliche Verkleinerung der Strukturgrößen stellt hohe Anforderungen an Materialen und Technologien zukünftiger hochintegrierter Schaltkreise. Insbesondere die Leistungsfähigkeit kupferbasierte Leitbahnsystem wird bald an fundamentale Grenzen stoßen. Aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften könnten metallische Kohlenstoffnanoröhren (engl. Carbon Nanotubes, CNTs) Kupfer in zukünftigen Leitbahnsystemen teilweise ersetzen. Dabei ist ein geringer Kontaktwiderstand mit vorhandenen Leitbahnen von entscheidender Bedeutung. Die vorliegende Arbeit liefert grundlegende Beiträge zur Theorie und zur numerischen Beschreibung elektronischer Transporteigenschaften metallischer CNTs mit Metallkontakten. Dazu werden verschiedene theoretische Ansätze auf diverse Kontaktmodelle angewandt und eine Auswahl von Elektrodenmaterialen (Al, Cu, Pd, Ag, Pt, Au) verglichen. Die Beschreibung ballistischen Elektronentransports erfolgt mittels des Formalismus der Nichtgleichgewichts-Green-Funktionen in Kombination mit Tight-Binding (TB), erweiterter Hückel-Theorie (EHT) und Dichtefunktionaltheorie (DFT). Vereinfachte Kontaktmodelle dienen der qualitativen Untersuchung des Einflusses von Geometrie und Länge der Nanoröhren, sowie von Stärke und Ausdehnung des Kontaktes. Darüber hinaus erlauben solch einfache Modelle mit geringem numerischen Aufwand den Einfluss verschiedener Elektronenstrukturmethoden zu untersuchen. Es zeigt sich, dass die semiempirischen Methoden TB und EHT nicht in der Lage sind die Ergebnisse der DFT quantitativ zu reproduzieren. Ausgehend von diesen Ergebnissen wird ein verbesserter Satz von Hückel-Parametern generiert, der diesen Mangel behebt. Die Untersuchung verschiedener Kontaktmaterialien erfolgt an wohldefinierten atomistischen Metall-CNT-Metall-Strukturen, welche systematisch optimiert werden. Analytische Modelle zur Beschreibung der CNT-Metall-Wechselwirkung werden vorgeschlagen. Darauf aufbauende Berechnungen der elektronischen Transporteigenschaften, können mit Hilfe der verbesserten EHT auf große Systeme ausgedehnt werden. Die Ergebnisse ermöglichen eine Reihung der Metall-CNT-Metall-Systeme hinsichtlich ihrer Leitfähigkeit: Ag ≤ Au < Cu < Pt ≤ Pd < Al. Dies korrespondiert qualitativ mit berechneten Kontaktabständen, Bindungsenergien und Austrittarbeiten der CNTs und Metalle. Zum tieferen Verständnis der Transporteigenschaften erfolgt eine detaillierte Analyse der elektronischen Struktur der Metall-CNT-Metall-Systeme und ihrer Teilsysteme. Dabei erweist sich die energieaufgelöste lokale Zustandsdichte als nützliches Werkzeug zur Visulisierung und zur Charakterisierung der Wechselwirkung zwischen CNT und Metall sowie deren Einfluss auf den Transport.

Kohlenstoffnanoröhrchen (CNTs) sind vielversprechende Kandidaten für neuartige nanoelektronische Bauelemente, wie zum Beispiel Transistoren für Hochfrequenzanwendungen. Simulationen CNT-basierter Bauelemente sind dabei unverzichtbar, um deren Anwendungspotential und das Verhalten in Schaltungen zu untersuchen. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf einen Methodenvergleich zwischen einem atomistischen Ansatz basierend auf dem Nichtgleichgewichts-Green-Funktionen-Formalismus und einem Modell zur numerischen Bauelementesimulation, welches auf der Schrödinger-Gleichung in effektiver-Massen-Näherung basiert. Ein Transistor mit zylindrischem Gate und dotierten Kontakten wird untersucht, wobei eine effektive Dotierung genutzt wird. Es wird gezeigt, dass die Beschränkungen des elektronischen Transports durch Quan- teneffekte im Kanal nur mit dem atomistischen Ansatz beschrieben werden können. Diese Effekte verhindern das Auftreten von Band-zu-Band-Tunnelströmen, die bei der numerischen Bauelementesimulation zu größeren Aus-Strömen und einem leicht ambipolaren Verhalten führen. Das Schaltverhalten wird hingegen von beiden Modellen vergleichbar beschrieben. Durch Variation der Kanallänge wird das Potential des untersuchten Transistors für zukünftige Anwendungen demonstriert. Dieser zeigt bis hinab zu Kanallängen von circa 8 nm einen Subthreshold-Swing von unter 80 mV/dec und ein An/Aus-Verhältnis von über 10⁶.

The continuous migration to smaller feature sizes puts high demands on materials and technologies for future ultra-large-scale integrated circuits. Particularly, the copper-based interconnect system will reach fundamental limits soon. Their outstanding properties make metallic carbon nanotubes (CNTs) an ideal material to partially replace copper in future interconnect architectures. Here, a low contact resistance to existing metal lines is crucial. The present thesis contributes to the theory and numerical description of electronic transport in metallic CNTs with metal contacts. Different theoretical approaches are applied to various contact models and electrode materials (Al, Cu, Pd, Ag, Pt, Au) are compared. Ballistic transport calculations are based on the non-equilibrium Greens function formalism combined with tight-binding (TB), extended Hückel theory (EHT) and density functional theory (DFT). Simplified contact models allow a qualitative investigation of both the influence of geometry and CNT length, and the strength and extent of the contact on the transport properties. In addition, such simple contact models are used to compare the influence of different electronic structure methods on transport. It is found that the semiempirical TB and EHT are inadequate to quantitatively reproduce the DFT-based results. Based on this observation, an improved set of Hückel parameters is developed, which remedies this insufficiency. A systematic investigation of different contact materials is carried out using well defined atomistic metal-CNT-metal structures, optimized in a systematic way. Analytical models for the CNT-metal interaction are proposed. Based on that, electronic transport calculations are carried out, which can be extended to large systems by applying the computationally cheap improved EHT. The metal-CNT-metal systems can then be ranked by average conductance: Ag ≤ Au < Cu < Pt ≤ Pd < Al. This corresponds qualitatively with calculated contact distances, binding energies and work functions of CNTs and metals. To gain a deeper understanding of the transport properties, the electronic structure of the metal-CNT-metal systems and their respective parts is analyzed in detail. Here, the energy resolved local density of states is a valuable tool to investigate the CNT-metal interaction and its influences on the transport. / Die kontinuierliche Verkleinerung der Strukturgrößen stellt hohe Anforderungen an Materialen und Technologien zukünftiger hochintegrierter Schaltkreise. Insbesondere die Leistungsfähigkeit kupferbasierte Leitbahnsystem wird bald an fundamentale Grenzen stoßen. Aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften könnten metallische Kohlenstoffnanoröhren (engl. Carbon Nanotubes, CNTs) Kupfer in zukünftigen Leitbahnsystemen teilweise ersetzen. Dabei ist ein geringer Kontaktwiderstand mit vorhandenen Leitbahnen von entscheidender Bedeutung. Die vorliegende Arbeit liefert grundlegende Beiträge zur Theorie und zur numerischen Beschreibung elektronischer Transporteigenschaften metallischer CNTs mit Metallkontakten. Dazu werden verschiedene theoretische Ansätze auf diverse Kontaktmodelle angewandt und eine Auswahl von Elektrodenmaterialen (Al, Cu, Pd, Ag, Pt, Au) verglichen. Die Beschreibung ballistischen Elektronentransports erfolgt mittels des Formalismus der Nichtgleichgewichts-Green-Funktionen in Kombination mit Tight-Binding (TB), erweiterter Hückel-Theorie (EHT) und Dichtefunktionaltheorie (DFT). Vereinfachte Kontaktmodelle dienen der qualitativen Untersuchung des Einflusses von Geometrie und Länge der Nanoröhren, sowie von Stärke und Ausdehnung des Kontaktes. Darüber hinaus erlauben solch einfache Modelle mit geringem numerischen Aufwand den Einfluss verschiedener Elektronenstrukturmethoden zu untersuchen. Es zeigt sich, dass die semiempirischen Methoden TB und EHT nicht in der Lage sind die Ergebnisse der DFT quantitativ zu reproduzieren. Ausgehend von diesen Ergebnissen wird ein verbesserter Satz von Hückel-Parametern generiert, der diesen Mangel behebt. Die Untersuchung verschiedener Kontaktmaterialien erfolgt an wohldefinierten atomistischen Metall-CNT-Metall-Strukturen, welche systematisch optimiert werden. Analytische Modelle zur Beschreibung der CNT-Metall-Wechselwirkung werden vorgeschlagen. Darauf aufbauende Berechnungen der elektronischen Transporteigenschaften, können mit Hilfe der verbesserten EHT auf große Systeme ausgedehnt werden. Die Ergebnisse ermöglichen eine Reihung der Metall-CNT-Metall-Systeme hinsichtlich ihrer Leitfähigkeit: Ag ≤ Au < Cu < Pt ≤ Pd < Al. Dies korrespondiert qualitativ mit berechneten Kontaktabständen, Bindungsenergien und Austrittarbeiten der CNTs und Metalle. Zum tieferen Verständnis der Transporteigenschaften erfolgt eine detaillierte Analyse der elektronischen Struktur der Metall-CNT-Metall-Systeme und ihrer Teilsysteme. Dabei erweist sich die energieaufgelöste lokale Zustandsdichte als nützliches Werkzeug zur Visulisierung und zur Charakterisierung der Wechselwirkung zwischen CNT und Metall sowie deren Einfluss auf den Transport.

Kohlenstoffnanoröhrchen (CNTs) sind vielversprechende Kandidaten für neuartige nanoelektronische Bauelemente, wie zum Beispiel Transistoren für Hochfrequenzanwendungen. Simulationen CNT-basierter Bauelemente sind dabei unverzichtbar, um deren Anwendungspotential und das Verhalten in Schaltungen zu untersuchen. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf einen Methodenvergleich zwischen einem atomistischen Ansatz basierend auf dem Nichtgleichgewichts-Green-Funktionen-Formalismus und einem Modell zur numerischen Bauelementesimulation, welches auf der Schrödinger-Gleichung in effektiver-Massen-Näherung basiert. Ein Transistor mit zylindrischem Gate und dotierten Kontakten wird untersucht, wobei eine effektive Dotierung genutzt wird. Es wird gezeigt, dass die Beschränkungen des elektronischen Transports durch Quan- teneffekte im Kanal nur mit dem atomistischen Ansatz beschrieben werden können. Diese Effekte verhindern das Auftreten von Band-zu-Band-Tunnelströmen, die bei der numerischen Bauelementesimulation zu größeren Aus-Strömen und einem leicht ambipolaren Verhalten führen. Das Schaltverhalten wird hingegen von beiden Modellen vergleichbar beschrieben. Durch Variation der Kanallänge wird das Potential des untersuchten Transistors für zukünftige Anwendungen demonstriert. Dieser zeigt bis hinab zu Kanallängen von circa 8 nm einen Subthreshold-Swing von unter 80 mV/dec und ein An/Aus-Verhältnis von über 10⁶.:Abkürzungsverzeichnis Symbolverzeichnis Konstanten Mathematische Notation 1. Einleitung 2. Feldeffekttransistoren auf Basis von Kohlenstoffnanoröhrchen 2.1. Geometrische Struktur von Kohlenstoffnanoröhrchen 2.2. Elektronische Eigenschaften von Kohlenstoffnanoröhrchen 2.3. Feldeffekttransistoren auf Basis von Kohlenstoffnanoröhrchen 2.3.1. Möglichkeiten der Kontaktierung 2.3.2. Geometrie des Gates 2.3.3. Kenngrößen zur Transistor-Charakterisierung 3. Simulationsmethoden 3.1. Grundlegende Begriffe 3.1.1. Schrödinger-Gleichung, Wellen- und Basisfunktion 3.1.2. Elektronendichte 3.1.3. Zustandsdichte 3.2. Atomistische Elektronenstrukturrechnung 3.2.1. Dichtefunktionaltheorie 3.2.2. Erweiterte Hückelmethode 3.3. Quantentransport 3.3.1. Streumechanismen und Transportregime 3.3.2. Landauer-Büttiker-Formalismus 3.3.3. Nichtgleichgewichts-Green-Funktionen-Formalismus 3.4. Numerische Bauelementesimulation 3.4.1. Schrödinger-Gleichung in effektiver-Massen-Näherung 3.4.2. Beschreibung der Kontakte 3.4.3. Lösung der Poisson-Gleichung 3.4.4. Selbstkonsistente Rechnung 4. Entwicklung des Modellsystems 4.1. Beschaffenheit des Kanals 4.2. Eigenschaften der Gate-Elektrode 4.3. Eigenschaften der Source- und Drain-Elektroden 5. Ergebnisse und Diskussion 5.1. Numerische Bauelementesimulation 5.1.1. Extraktion der Parameter 5.1.2. Einfluss verschiedener Faktoren auf das Kohlenstoffnanoröhrchen 5.1.3. Transistorverhalten und Transistorregime 5.2. Atomistische Simulation 5.2.1. Einfluss verschiedener Faktoren auf das Kohlenstoffnanoröhrchen 5.2.2. Transistorverhalten und Transistorregime 5.2.3. Einfluss der Dotierung 5.3. Variation der Kanallänge und Methodenvergleich 5.3.1. Diskussion der Transfercharakteristiken 5.3.2. Verhalten von An/Aus-Verhältnis und Subthreshold-Swing 5.4. Variation der Gate-Länge bei fester Kanallänge und Methodenvergleich 5.5. Abschließende Bemerkungen und Vergleich mit Literatur 6. Zusammenfassung der Ergebnisse und Ausblick A. Elektronische Struktur des (7,0)-Kohlenstoffnanoröhrchens B. Simulationsparameter B.1. Parameter für Rechnungen mit Dichtefunktionaltheorie B.2. Parameter für Rechnungen mit erweiterter Hückelmethode B.3. Verwendete Randbedingungen zur Lösung der Poisson-Gleichung C. Vergleich zwischen Dichtefunktionaltheorie und erweiterter Hückelmethode C.1. Physikalische Betrachtung C.2. Rechenzeit und Konvergenz Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Danksagung Selbstständigkeitserklärung