Device Electronics Based on NanoWires and NanoTubes

One-dimensional nanostructures are currently subject of intensive research as they often show exceptional mechanical, electrical, and also optical properties. In this project one-dimensional nanostructures made from carbon and silicon have been studied using a computer model. Carbon can form nanotubes with diameters in the nanometer range. These carbon nanotubes show excellent electrical transport properties and, therefore, are promising starting materials for electronic devices such as novel transistors. A simulation program for field effect transistors with carbon nanotubes forming the current-conducting channel has been developed. Because of the small dimensions of the structures considered a computer model including all relevant quantum mechanical effects has been utilized. By means of this program the electrical characteristics of carbon nanotube transistors and a variety of effects occurring in these devices can be better understood and described quantitatively. Thus this program is a tool aiding the design and optimization of such devices.
Various transistor structures have been investigated in the course of this project. It has been demonstrated, how the static characteristics of a carbon nanotube field effect transistor can be optimized by suitably tuning some of the geometrical parameters. Scattering of charge carriers in the thermally excited crystal lattice has been taken into account. A significant effect of scattering processes due to phonons in particular on the dynamic switching behavior of the transistors has been shown. In addition to the conventional transistor designs a tunnel transistor has been studied in detail.
Because of their specific electronic structure carbon nanotubes can also be used as the active elements of optoelectronic devices. The computer model has been extended to account for the electron-light interaction and then applied to study carbon nanotube-based infrared photodiodes. A method to reduce the dark current has been proposed. Furthermore, it has been shown that the local approximation of the selfenergy for electron-photon interaction is not valid. Instead, the full non-locality of this term has to be considered to obtain realistic results. The calculated quantum yield of carbon nanotubes showed good agreement with published experimental data. Silicon, the second semiconductor material considered here, can form nanowires. In this project the thermoelectric properties of silicon nanowires have been investigated. The thermoelectric effect allows one to directly convert temperature differences into usable electrical energy. Specifically designed nanowires achieve considerably higher conversion efficiency than the comparable bulk material. The effect of nanowire cross section, doping, and crystal orientation on the efficiency has been studied and optimum parameter ranges have been identified.

Wegen ihrer außergewöhnlichen mechanischen, elektrischen und auch optischen Eigenschaften sind eindimensionale Nanostrukturen derzeit Gegenstand intensiver Forschungen. In diesem Projekt wurden derartige Nanostrukturen bestehend aus Kohlenstoff beziehungsweise Silizium mit Hilfe von Computermodellen untersucht. Kohlenstoff kann Nanoröhren mit Durchmessern im Nanometerbereich, so genannte Carbon Nanotubes, bilden. Diese weisen exzellente Stromleitungseigenschaften auf, wodurch sie als Ausgangsmaterial für elektronische Bauelemente wie neuartige Transistoren interessant werden. Es wurde ein Simulationsprogramm für Feldeffekt-Transistoren mit Carbon Nanotubes als stromleitendem Kanal entwickelt. Auf Grund der Kleinheit der betrachteten Strukturen wurden quantenmechanische Effekte in vollem Umfang berücksichtigt.
Mit Hilfe dieses Programms wurden unterschiedlichste Transistor-Strukturen untersucht. Damit kann das Verhalten dieser Bauelemente so wie verschiedenster Effekte, die in diesen auftreten, besser verstanden und quantitativ beschrieben werden. Damit bildet das Simulationsprogramm ein Werkzeug sowohl für den Entwurf der Bauelemente als auch deren Optimierung. So wurde gezeigt, wie die statischen Eigenschaften eines Carbon Nanotube Feldeffekt-Transistors durch geeignete Wahl der geometrischen Parameter optimiert werden können. Die Streuung der elektronischen Ladungsträger am thermisch angeregten Kristallgitter wurde in dem Modell mitberücksichtigt. Der ausgeprägte Einfluss dieser Streuprozesse auf das dynamische Schaltverhalten des Transistors konnte gezeigt werden. Als ein Sonderbauelement in dieser Klasse wurde der Tunnel-Transistor genauer untersucht.
Carbon Nanotubes können auf Grund ihrer speziellen elektronischen Bandstruktur auch als aktive Elemente für optoelektronische Bauelemente verwendet werden. Mit dem entsprechend erweiterten Computermodell wurden auf Carbon Nanotubes basierende Infrarot-Photodioden studiert. Es wurde eine Methode zur Reduktion des Dunkelstroms vorgeschlagen. Auf der theoretischen Seite wurde gezeigt, dass man für die Selbstenergie der Elektron-Photon Wechselwirkung die lokale Näherung nicht verwenden darf, sondern dass die volle Nichtlokalität zu berücksichtigen ist um realistische Ergebnisse zu erhalten. Es wurde der Quantenwirkungsgrad von Nanotubes berechnet und gute Übereinstimmung mit publizierten Messwerten gefunden. Aus Silizium, dem zweiten hier betrachten Halbleitermaterial, lassen sich Nanodrähte herstellen. In diesem Projekt wurden die thermoelektrischen Eigenschaften von Silizium Nanodrähten näher untersucht. Mit Hilfe des thermoelektrischen Effekts können Temperaturunterschiede direkt in nutzbare elektrische Energie umgewandelt werden. Mit speziell entworfenen Nanodrähten kann ein deutlich höherer Wirkungsgrad als mit den vergleichbaren Bulk-Materialien erzielt werden. Es wurde der Einfluss von Querschnittsfläche, Dotierung und Kristallorientierung des Nanodrahtes auf den Wirkungsgrad genauer untersucht und optimale Parameterbereiche wurden identifiziert.