Title (eng)
Simulation of quantum confinement and plasmonic response in geometrically designed silicon structures within graphene lattice
Author
Daryoush Nosraty Alamdary
Advisor
Jani Kotakoski
Co-Advisor
Susi Toma
Assessor
Jani Kotakoski
Abstract (deu)
Heutige Materialwissenschaft, insbesondere die Physik kondensierter Materie, würde unvorstellbar sein ohne die Vielfalt von Kohlenstoff Allotropen. Unter ihnen, dem Einatom-dicken Graphene, ist besonders interessant, wegen seines einzigartigen elektronischen und mechanischen Eigenschaften. Dieser Nulllückenhalbleiter ist vielen modernen wissenschaftlichen Erforschungen unterworfen. Getrieben durch solche modernen Techniken und experimentelle Methoden, wie ultraniedrige Temperaturabtastung der Rastertunnelmikrokopie (RTM), oder hoch Auflösungabtastung der Rastertransmissionselektronenmikroskopie (RTEM), die Wissenschaft von Graphene verspricht, potenziell einer am meisten Wirkungsvolle Bereiche der Forschung in der modernen Physik zu sein. Folgend in dieser Linie der Forschung, basiert auf die Forschungsergebnisse von Crommie, Lutz & Eigler in 1993, welche die Erzeugung von Quanten-Corral auf einer Metalloberfläche durch Eisen-Adatomen bewiesen haben, es vorgeschlagen wurde, innerhalb des Forschungsprojektes Heteratom Quantum Corrals and Nanoplasmonics in Graphene (HeQuCoG), dass derselbe Affekt, in Graphene beobachtet werden könnte, diesmal mittels eingebetteter Silikonatomen. Das Thema dieser Arbeit ist, die erweiterten Si-Strukturen, die wie Verschmutzung in Graphene eingebettet sind, die lokal die Entbindung der elektronischen Wellenfunktionen in die Form von Quanten-Corrals abändern können, und auch unterschiedliche optische und plasmonische Antwortfunktionen vom System in linearem Limes erzeugen können, zu erforschen.
Der entscheidende Vorteil von diesen Graphene-basierten Strukturen gegenüber den Adatomen auf den Metalloberflächen ist, dass sie Kovalent gebunden sind, welche sie, bis zu dem Raumtemperatur und viel darüber, stabil macht. Deshalb in dieser Arbeit, eine theoretische Studie, durch computergestützte Methoden, durchgeführt wird, in eine systematische Art und Weise, anfangend damit, die Geometrie der Strukturen zu entspannen, und die Energetik der Strukturen pro Größe zu konvergieren. Weitere Simulationen der Strukturen (Geometrie Relaxation) sind dann mit dem Dichtefunktionaltheorie-Code (DFT), GPAW (Grid-bas Projector Augmen- ted Wave), der besonders dafür bekannt ist, fähig dazu zu sein, große Strukturen zu behandeln, durchgeführt. Die entspannten Strukturen, sind dann mittels des RTM-Simulationspakets analysiert, für die Erfassung der eingeschlossenen elektronischen Zuständen. Zusätzlich zu der Ebene-welle basierten Methode der linearen dielektrischen Antwortfunktion, welche auch das Elektronenenergieverlustspektroskopie- (EELS) Spektrum von periodischen Systemen berech- nen würde, dieses Programm auch die zeitabhängige-DFT-Paket (TDDFT) anbietet, welches das optischen Photoabsorptionsspektrum von den großen Strukturen ausrechnen, und auch deren lokalisierte Oberflächenplasmonenresonanzen (LSPR) visualisieren kann. Die experimentelle Bestätigung der Ergebnissen dieser Arbeit bleibt das Ziel des oben-genannten Forschungsprojektes HeQuCoG, welche von Bedeutung fu¨r die Physik der elektronischen Eigenschaften der Materie, und deren relevante Industrie, sein könnte.
Abstract (eng)
Today’s materials science, especially condensed matter physics, would be unimaginable with-
out the variety of carbon allotropes. Among them, the one-atom thick graphene, is of special
interest, due to its unique electronic and mechanical properties. This zero gap semiconduc- tor, is
subject to many modern scientific explorations. Driven by such modern techniques and experimental
methods, like ultra-low temperature scanning tunnelling microscopy (STM), or high resolution
scanning transmission electron microscopy (STEM), the science of graphene promises to be one of
most potentially impactful areas of research in modern science and mod- ern physics. Following in
this line of research, based on the research findings of Crommie, Lutz
& Eigler in 1993, which demonstrated the creation of a quantum corral on the surface of a metal
using iron ad-atoms, it was proposed, within the research-project Heteroatom quantum corrals and
nanoplasmonics in graphene (HeQuCoG), that the same effect could be observed in graphene, using
embedded silicon atoms. The topic of this thesis-research is to explore extended Si-structures,
embedded in graphene like impurities, that could locally alter the confinement of the electronic
wavefunctions into the form of quantum corrals, and also cause different optical and plasmonic
response of the system in the linear limit.
The crucial advantage of these graphene-based structures over the adatoms on metal surfaces is that
they are covalently bond, which makes them stable up to room temperature and above. Therefore, in
this thesis, a theoretical study of such structures are carried out using computer- based
techniques, in a systematic way, starting by relaxing the geometries and converging the energetics
per size of the structures. Further relaxations of the select structures, are then done using a
density functional theory (DFT) code, known as (Grid-based projector augmented wave (GPAW) which is
particularly known for being capable of handling large structures. The relaxed structures are then
analysed using the STM simulation package of the software for capturing the confined electronic
states, and their shapes and sizes. For the linear response measurements, in addition to the
plane-wave based linear dielectric response method, which would also calculate the electron energy
loss spectroscopy (EELS) spectrum of periodic systems, this code offers time-dependent DFT (TDDFT)
implementation, which can calculate the optical photo-absorption spectrum, and also visualize the
localized surface plasmonic resonance of large systems. The experimental verifi of the results
obtained in this work remain the objective of the research project HeQuCoG, which may have
implications for the physics of electronic
properties of materials, and its related industries.
Keywords (eng)
DFTSTM-SimulationsGrapheneSilicon-Impurity in GrapheneTime-Dependent DFT (TDDFT)Linear Response Diectric Function
Keywords (deu)
Dichtefunktionaltheorie (DFT)Rastertunnelmikroskopie (RTM)-SimulationGrapheneLineare Dielektrische AntwortfunktionZeitabhängige DFT (TDDFT)Eingebettete Silikonatomen in Graphene
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1336834
rdau:P60550 (deu)
3, 145 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Number of pages
163
Association (deu)
Title (eng)
Simulation of quantum confinement and plasmonic response in geometrically designed silicon structures within graphene lattice
Author
Daryoush Nosraty Alamdary
Abstract (deu)
Heutige Materialwissenschaft, insbesondere die Physik kondensierter Materie, würde unvorstellbar sein ohne die Vielfalt von Kohlenstoff Allotropen. Unter ihnen, dem Einatom-dicken Graphene, ist besonders interessant, wegen seines einzigartigen elektronischen und mechanischen Eigenschaften. Dieser Nulllückenhalbleiter ist vielen modernen wissenschaftlichen Erforschungen unterworfen. Getrieben durch solche modernen Techniken und experimentelle Methoden, wie ultraniedrige Temperaturabtastung der Rastertunnelmikrokopie (RTM), oder hoch Auflösungabtastung der Rastertransmissionselektronenmikroskopie (RTEM), die Wissenschaft von Graphene verspricht, potenziell einer am meisten Wirkungsvolle Bereiche der Forschung in der modernen Physik zu sein. Folgend in dieser Linie der Forschung, basiert auf die Forschungsergebnisse von Crommie, Lutz & Eigler in 1993, welche die Erzeugung von Quanten-Corral auf einer Metalloberfläche durch Eisen-Adatomen bewiesen haben, es vorgeschlagen wurde, innerhalb des Forschungsprojektes Heteratom Quantum Corrals and Nanoplasmonics in Graphene (HeQuCoG), dass derselbe Affekt, in Graphene beobachtet werden könnte, diesmal mittels eingebetteter Silikonatomen. Das Thema dieser Arbeit ist, die erweiterten Si-Strukturen, die wie Verschmutzung in Graphene eingebettet sind, die lokal die Entbindung der elektronischen Wellenfunktionen in die Form von Quanten-Corrals abändern können, und auch unterschiedliche optische und plasmonische Antwortfunktionen vom System in linearem Limes erzeugen können, zu erforschen.
Der entscheidende Vorteil von diesen Graphene-basierten Strukturen gegenüber den Adatomen auf den Metalloberflächen ist, dass sie Kovalent gebunden sind, welche sie, bis zu dem Raumtemperatur und viel darüber, stabil macht. Deshalb in dieser Arbeit, eine theoretische Studie, durch computergestützte Methoden, durchgeführt wird, in eine systematische Art und Weise, anfangend damit, die Geometrie der Strukturen zu entspannen, und die Energetik der Strukturen pro Größe zu konvergieren. Weitere Simulationen der Strukturen (Geometrie Relaxation) sind dann mit dem Dichtefunktionaltheorie-Code (DFT), GPAW (Grid-bas Projector Augmen- ted Wave), der besonders dafür bekannt ist, fähig dazu zu sein, große Strukturen zu behandeln, durchgeführt. Die entspannten Strukturen, sind dann mittels des RTM-Simulationspakets analysiert, für die Erfassung der eingeschlossenen elektronischen Zuständen. Zusätzlich zu der Ebene-welle basierten Methode der linearen dielektrischen Antwortfunktion, welche auch das Elektronenenergieverlustspektroskopie- (EELS) Spektrum von periodischen Systemen berech- nen würde, dieses Programm auch die zeitabhängige-DFT-Paket (TDDFT) anbietet, welches das optischen Photoabsorptionsspektrum von den großen Strukturen ausrechnen, und auch deren lokalisierte Oberflächenplasmonenresonanzen (LSPR) visualisieren kann. Die experimentelle Bestätigung der Ergebnissen dieser Arbeit bleibt das Ziel des oben-genannten Forschungsprojektes HeQuCoG, welche von Bedeutung fu¨r die Physik der elektronischen Eigenschaften der Materie, und deren relevante Industrie, sein könnte.
Abstract (eng)
Today’s materials science, especially condensed matter physics, would be unimaginable with-
out the variety of carbon allotropes. Among them, the one-atom thick graphene, is of special
interest, due to its unique electronic and mechanical properties. This zero gap semiconduc- tor, is
subject to many modern scientific explorations. Driven by such modern techniques and experimental
methods, like ultra-low temperature scanning tunnelling microscopy (STM), or high resolution
scanning transmission electron microscopy (STEM), the science of graphene promises to be one of
most potentially impactful areas of research in modern science and mod- ern physics. Following in
this line of research, based on the research findings of Crommie, Lutz
& Eigler in 1993, which demonstrated the creation of a quantum corral on the surface of a metal
using iron ad-atoms, it was proposed, within the research-project Heteroatom quantum corrals and
nanoplasmonics in graphene (HeQuCoG), that the same effect could be observed in graphene, using
embedded silicon atoms. The topic of this thesis-research is to explore extended Si-structures,
embedded in graphene like impurities, that could locally alter the confinement of the electronic
wavefunctions into the form of quantum corrals, and also cause different optical and plasmonic
response of the system in the linear limit.
The crucial advantage of these graphene-based structures over the adatoms on metal surfaces is that
they are covalently bond, which makes them stable up to room temperature and above. Therefore, in
this thesis, a theoretical study of such structures are carried out using computer- based
techniques, in a systematic way, starting by relaxing the geometries and converging the energetics
per size of the structures. Further relaxations of the select structures, are then done using a
density functional theory (DFT) code, known as (Grid-based projector augmented wave (GPAW) which is
particularly known for being capable of handling large structures. The relaxed structures are then
analysed using the STM simulation package of the software for capturing the confined electronic
states, and their shapes and sizes. For the linear response measurements, in addition to the
plane-wave based linear dielectric response method, which would also calculate the electron energy
loss spectroscopy (EELS) spectrum of periodic systems, this code offers time-dependent DFT (TDDFT)
implementation, which can calculate the optical photo-absorption spectrum, and also visualize the
localized surface plasmonic resonance of large systems. The experimental verifi of the results
obtained in this work remain the objective of the research project HeQuCoG, which may have
implications for the physics of electronic
properties of materials, and its related industries.
Keywords (eng)
DFTSTM-SimulationsGrapheneSilicon-Impurity in GrapheneTime-Dependent DFT (TDDFT)Linear Response Diectric Function
Keywords (deu)
Dichtefunktionaltheorie (DFT)Rastertunnelmikroskopie (RTM)-SimulationGrapheneLineare Dielektrische AntwortfunktionZeitabhängige DFT (TDDFT)Eingebettete Silikonatomen in Graphene
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1336835
Number of pages
163
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