As the miniaturization of devices begins to reveal the atomic nature of materials, where chemical bonding and quantum effects are important, one must resort to a parameter-free theory for predictions. This thesis theoretically investigates the quantum transport properties of nanoelectronic devices using atomistic first principles. Our theoretical formalism employs density functional theory (DFT) in combination with Keldysh nonequilibrium Green's functions (NEGF). Self-consistently solving the DFT Hamiltonian with the NEGF charge density provides a way to simulate nonequilibrium systems without phenomenological parameters. This state-of-the-art technique was used to study three problems related to the field of nanoelectronics. First, we investigated the role of metallic contacts (Cu, Ni and Co) on the transport characteristics of graphene devices. With Cu, the graphene is simply electron-doped (Fermi level shift of −0.7 eV) which creates a unique signature in the conduction profile allowing one to extract the doping level. With Ni and Co, spin-dependent band gaps are formed in graphene's linear dispersion bands, thus leading to the prediction of high spin injection efficiencies reaching 60% and 80%, respectively. Second, we studied how controlled doping distributions in nano-scale Si transistors could suppress OFF-state leakage currents. By assuming the dopants (B and P) are confined in 1.1 nm regions in the channel, we discovered large conductance variations (Gmax/Gmin ~ 10^5) as a function of the doping location. The largest fluctuations arise when the dopants are in the vicinity of the electrodes. Our results indicate that if the dopants are located away from the leads, a distance equal to 20% of the channel length, the tunneling current can be suppressed by a factor of 2 when compared to the case of uniform doping. Thus, controlled doping engineering is found to suppress device-to-device variations and lower the undesirable leakage current. Finally, we incorporated a dephasing model into our ab initio transport formalism, which was used to study the effect of phase-breaking scattering in three different systems. Our calculations revealed the complex role of dephasing, where conduction increased or decreased depending on the system under consideration. We demon- strated that the backscattering component of this dephasing scheme also allows one to retrieve Ohm's law. / Comme la miniaturisation des dispositifs commence à révéler la nature atomique des matériaux, où les liaisons chimiques et les effets quantiques sont importants, nous devons recourir à une théorie sans paramètre pour obtenir des prédictions. Cette thèse étudie les propriétés de transport quantique des dispositifs nanoélectroniques en utilisant des méthodes ab initio atomiques. Notre formalisme théorique combine la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) avec les fonctions de Green hors-équilibres (NEGF). Résoudre l'Hamiltonien DFT de manière auto-consistante avec la densité de charge NEGF permet de simuler des systèmes hors-équilibres sans utiliser des paramètres. Cette technique sophistiquée a été utilisée pour étudier trois problèmes liés au domaine de la nanoélectronique. Premièrement, nous avons étudié le rôle des contacts métalliques (Cu, Ni et Co) sur les caractéristiques de transport des dispositifs à base de graphène. Dans le cas du Cu, le graphène est simplement dopé en électrons (décalage du niveau de Fermi = −0.7 eV) ce qui crée une signature unique dans le profil de conduction permettant d'extraire le niveau de dopage. Avec Ni et Co, la formation de bandes interdites dépendantes du spin détruit la dispersion linéaire des états du graphène ce qui permet d'atteindre une efficacité d'injection de spin de 60% et 80%, respectivement. Deuxièmement, nous avons étudié comment des distributions de dopage contrôlées dans les nano-transistors en Si pourraient supprimer les courants de fuite à l'état OFF. En supposant que les dopants (B et P) sont confinés dans des régions de 1.1 nm dans le canal, nous avons découvert de grandes variations de conductances (Gmax/Gmin ~ 10^5) en fonction de l'emplacement du dopage. Les plus grandes fluctuations surviennent lorsque les dopants sont à proximité des électrodes. Nos résultats indiquent que si les dopants sont éloignés des électrodes, d'une distance égale à 20% de la longueur du canal, le courant tunnel peut être supprimé par un facteur de 2 par rapport au dopage uniforme. Ainsi, l'ingénierie du dopage pourrait réduire les variations d'un dispositif à un autre et diminuer le courant de fuite. Dernièrement, nous avons intégré un modèle de déphasage dans notre théorie de transport ab initio qui a été utilisé pour étudier l'effet des collisions dans trois systèmes différents. Nos calculs ont révélé le rôle complexe du déphasage; parfois la conduction augmente ou diminue selon le système. Nous avons démontré que la rétrodiffusion, présent dans ce modèle, permet de récupérer la loi d'Ohm.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.106463 |
| Date | January 2012 |
| Creators | Maassen, Jesse |
| Contributors | Hong Guo (Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Physics) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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