Untersuchung elektronischer Eigenschaften komplexer Materialien mittels Computer-Simulationen

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Datum
2008
Autor:innen
Dreher, Markus
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Analysis of electronic properties of complex materials with computer simulations
Forschungsvorhaben
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Zeitschriftenheft
Publikationstyp
Dissertation
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Zusammenfassung

Conductance histograms are a valuable tool to study the intrinsic conduction properties of metallic atomic-sized contacts. These histograms show a peak structure, which is characteristic of the type of metal under investigation. Despite the enormous progress in the understanding of the electronic transport in metallic nanowires, the origin of this peak structure is still a basic open problem. In the present work we tackle this issue, extending our theoretical analysis of Au conductance histograms to different types of metals, namely, Ag, Pt and ferromagnetic Ni. We combine classical molecular dynamics simulations of the breaking of nanocontacts with conductance calculations based on a tight-binding model. This combination gives us access to crucial information such as contact geometries, strain forces, minimum cross-sections, the conductance, transmissions of the individual conduction channels, and, in the case of Ni, the spin polarization of the current. We shall also briefly discuss investigations of Al atomic-sized contacts. From our analysis we conclude that the differences in the histograms of these metals are due to (i) the very different electronic structures, which means different atomic orbitals contributing to the transport and (ii) the different mechanical properties, which in a case such as Pt lead to the formation of special structures, namely, monoatomic chains. Of particular interest are results for Ni that indicate the absence of any conductance quantization, and show how the current polarization evolves (including large fluctuations) from negative values in thick contacts to even positive values in the tunneling regime after rupture of the contact. Finally, we also present a detailed analysis of the breaking forces of these metallic contacts, which are compared to the forces predicted from bulk considerations.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

Leitwerthistogramme stellen ein wertvolles Instrument dar, um die intrinsischen Leitungseigenschaften metallischer, atomar großer Kontakte zu untersuchen. Diese Histogramme zeigen in den Experimenten eine Peakstruktur, die charakteristisch für die Art des Metalls ist. Trotz des enormen Fortschritts im Verständnis des elektronischen Transports in metallischen Nanodrähten war der Ursprung dieser Peakstruktur bis jetzt immer noch unverstanden. Die Lösung dieses grundlegenden, offenen Problems war das zentrale Ziel dieser Arbeit. Dazu untersuchten wir theoretisch Au-, Ag-, Pt- und ferromagnetische Ni-Nanokontakte durch eine Kombination von klassischen Molekulardynamik-Simulationen des Nanokontaktbruchs mit Leitwertberechnungen eines tight-binding-Modells mit Hilfe von Nichtgleichgewichtsgreenfunktionen. Dadurch erhalten wir entscheidende Informationen zum Beispiel über die Kontaktgeometrien, Zugkräfte, kleinste Querschnittsflächen, den Leitwert, die Transmission der einzelnen Leitungskanäle, lokale Zustandsdichten und im Falle von Ni über die Spinpolarisation des Stromes. Aus unseren Analysen folgt, daß der Unterschied in den Histogrammen dieser Metalle bei tiefen Temperaturen auf zwei Faktoren zurückzuführen ist: (i) Aufgrund der verschiedenen elektronischen Strukturen der unterschiedlichen Metallklassen tragen verschiedene Atomorbitale zum Transport bei. Diese Orbitale wiederum bestimmen die Anzahl der Leitungskanäle und damit den Leitwert. Somit weist bei ähnlichen Strukturen ein Kontakt eines multivalenten Metalls im allgemeinen einen höheren Leitwert auf als ein Kontakt eines Edelmetalls. (ii) Die verschiedenen mechanischen Eigenschaften führen zur Ausbildung von bestimmten, charakteristischen Strukturen, die sich schließlich in den Leitwerthistogrammen wiederspiegeln. So ist zum Beispiel die Ausbildung spezieller Strukturen, nämlich monoatomarer Ketten, bei Au und Pt für den letzten, ausgeprägten Leitwertpeak verantwortlich. Von besonderem Interesse sind die Ergebnisse für Ni: hier treten keine Leitwertquantisierungen auf, und die Strompolarisation wechselt ihr Vorzeichen beim Übergang von dicken Kontakten in das Tunnelregime nach dem Riß des Kontakts. Schließlich präsentieren wir eine detaillierte Analyse der Bruchkräfte dieser metallischen Kontakte.

Fachgebiet (DDC)
500 Naturwissenschaften
Schlagwörter
Elektronischer Transport durch mesoskopische Systeme, Nanokontakte, Electronic transport in mesoscopic systems, Nanoscale contacts, Metal-to-metal contacts
Konferenz
Rezension
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Zitieren
ISO 690DREHER, Markus, 2008. Untersuchung elektronischer Eigenschaften komplexer Materialien mittels Computer-Simulationen [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
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July 17, 2008
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