Atomare Kontakte

Atomare (nano-) Drähte, die experimentell zum Beispiel durch Rastertunnelmikroskope oder mechanisch kontrollierte Bruchkontakte erzeugt werden, haben sich als ideale Spielwiesen für Konzepte des Elektronentransportes auf der atomaren Skala erwiesen [d1]. Aber auch die Auswirkung quantenmechanischer Effekte auf makroskopische Gesetzmäßigkeiten wie dem Wiedemann-Franz Gesetz für den elektronischen Beitrag zum thermischen Leitwert können hier studiert werden.

Wir haben in diesem Zusammenhang einige Studien mit unterschiedlichen Metallen wie Al, Au, Mg, Pt, Fe, Ni und Co durchgeführte. Hierfür haben wir Molekulardynamik (MD) Simulationen mit einem Tight-Binding (nicht orthogonale TB) basierten Nichtgleichgewichts- Greensfunktions- Formalismus (NEGF) verknüpft um sowohl Zugriff auf strukturelle Effekte wie atomare Umordnungen bei endlichen Temperaturen bei angelegter äußerer Zugspannung und damit einher auch realistische (nicht idealisierte) Geometrien zu erhalten und andererseits Zugriff auf elektronische Eigenschaften wie dem elektrischen Leitwert, den Leitwerten der einzelnen Kanälen, dem elektrischen Rauschen (Fano Faktor / Schrotrauschen), der Thermokraft, aber auch dem elektronischen Beitrag zum thermischen Leitwert zu den zuvor mit der MD erhaltenen Geometrien, zu erhalten.

Ziehvorgang eines atomaren Au Drahtes bei T=4K, der am Ende einen einatomige Kette ausbildet (rechts).
Links sieht man die zu den Geometrien zugehörigen Leitwerte (schwarze Linie, oben und mittig), elektronische Beitrag zum thermischen Leitwert (Quadrate, oben und mittig), die einzelnen Kanäle (farbige Linien, mittig), den Fano Faktor (rote Linie, unten) und die Thermokraft (grüne Linie, unten).
Die x-Achse gibt die Längenänderung des Drahtes wieder.

Ähnliches Beispiel für Pt bei Raumtemperatur, jedoch ohne die letzte Ergebniszeile.

Elektromigration

Die meisten Experimente und Simulationen verlaufen, indem man eine Struktur erzeugt und ihre elektronischen Eigenschaften berechnet oder vermisst.
Das Ziel dieser Arbeit ist die andere Richtung: Wie beeinflusst der elektronische Transport die Struktur? Welche Konfigurationen sind bevorzugt und entstehen mit höherer Wahrscheinlichkeit bei elektronischem Transport. Das grundsätzliche Ziel ist die mikroskopische Beschreibung eines Strom-abhängigen Schalters auf Nanogröße, inklusive des Schaltvorgangs. Das bekannteste Beispiel für Elektromigration - die Bewegung von Atomen unter dem Einfluss von elektronischem Transport - ist das Durchbrennen von Kontakten. Obwohl dies phänomenologisch sehr zugänglich und weit untersucht ist, sind die mikroskopischen Mechanismen weitgehend unbekannt.
Die angewendeten Methoden umfassen Molekulardynamik für die Kontakte, Tight Binding und Dichtefunktionaltheorie (DFT) für die elektronische Struktur und NEGF für die Transport-Berechnungen.

b) Ältere Publikationen

  1. M. Dreher, F. Pauly, J. Heurich, J.C. Cuevas, E. Scheer, P. Nielaba, PRB 72, 075435 (2005).
  2. F. Pauly, M. Dreher, J.K. Viljas, M. Häfner, J.C. Cuevas, and P. Nielaba, PRB 74, 235106 (2006).
  3. C. Schieback, F. Bürzle, K. Franzrahe, J. Neder, M. Dreher, P. Henseler, D. Mutter, N. Schwierz, P. Nielaba, in: High Performance Computing in Science and Engineering '08, edited by W.E. Nagel, D. Kröner, M.M. Resch, Springer Verlag, pp. 41 (2009).
  4. M. Häfner, J.K. Viljas, D. Frustaglia, F. Pauly, M. Dreher, P. Nielaba, J.C. Cuevas, PRB 77, 104409 (2008).
  5. M. Dreher et al., Phase Transitions 78, 751 (2005).

c) Abgeschlossene Arbeiten

  1. M. Dreher, Diplomarbeit: Computersimulationen zum elektronischen Ladungstransport in Nanostrukturen (2002).

  2. M. Dreher, Doktorarbeit: Untersuchung elektronischer Eigenschaften komplexer Materialien mittels Computer-Simulationen (2008).

  3. M. Matt, Doktorarbeit: Theoretical study of the charge and energy transport in metallic atomic-size contacts (2017).

d) Referenzen

  1. N. Agraït, A. Levy Yeyati, and J.M. van Ruitenbeek, Phys. Rep. 377, 81 (2003).

e) Externe Links zu Programmen, Potentialen, etc.

  1. LAMMPS. S. Plimpton, J. Comput. Phys. 117, 1 (1995). (http://lammps.sandia.gov)
  2. Allgemeine Potentiale LAMMPS http://www.ctcms.nist.gov/potentials/
  3.  EAM-Potentiale FCC-Metalle H. W. Sheng, M. J. Kramer, A. Cadien, T. Fujita, and M. W.
    Chen, Phys. Rev. B 83, 134118 (2011). (https://sites.google.com/site/eampotentials/)
  4.  M. J. Mehl and D. A. Papaconstantopoulos, Computational
    Materials Science, edited by C. Fong (World Scientific,
    Singapore, 1998).

f) Bücher

  1. J. C. Cuevas and E. Scheer, Molecular Electronics: An Introduction to Theory and Experiment (World Scientific,Singapore, 2010).