Quantum transport modeling of atomic nanostructures on silicon

Surface effects can adversely influence the performance of a nanoelectronic device,but may also lead to new functionality. The focus of this thesis is to theoreticallystudy the role of surfaces in nanoelectronics. Our theoretical analysis is from atomicfirst principles achieved by combining density functional theory with the Keldyshnonequilibrium Green's function approach. This technique allows for all atoms in asystem to be treated on an equal footing without any phenomenological parameters.The first part of the thesis considers conduction through a molecule with no substrateto illustrate the sort of system typically modeled in transport calculations. Two Auelectrodes are bridged by a substituted benzenediamine molecule (R = CH3, NH2,OH) where an H atom is removed to form a radical that may behave as a spin filter,depending on the R group. Next is considered a π–stacked line of ethylbenzenemolecules on the Si(100) surface, where the Si atoms are explicitly included in thecalculation. Although the molecules conduct electrons at certain energies, a channeloccurs through the substrate, which can dominate the conductance. The use ofsubstituent groups to modulate the electron transport properties of such wires is alsoinvestigated, showing that the conductance of the molecular wire could be tuned todominate over the substrate. Finally, the conductance of the Si(111)–7 × 7 metallicsurface is studied. Inspired by experiments suggesting that atomic steps reduce thesurface conductance, the atomic structure and transport properties of such steps areexamined, revealing that dimer atom buckling along the step edges is the primaryculprit since it leads to an opening of a local band gap at the step.Les effets de surface peuvent affecter la performance d'un dispositif nanoélectronique, mais peuvent aussi conduire à de nouvelles fonctionnalités. L'objectif de cette thèse est d'effectuer une étude théorique sur le rôle des surfaces en nanoélectronique. Notre analyse, de type premiers principes atomiques, est effectuée en combinant la théorie de la fonctionnelle de la densité avec les fonctions de Green hors-équilibre. Cette technique permet de traiter tous les atomes de manière égale sans utiliser de paramètres phénoménologiques. La première partie de cette thèse considère la conduction à travers une molécule sans substrat, afin d'illustrer le genre de systèmes typiquement modélisés dans les calculs de transport. Deux électrodes en Au sont mises en contactavec une molécule benzènediamine substituée (R = CH3, NH2, OH), où un atome H est retiré pour former un radical qui peut se comporter comme un filtre de spin, dépendant du groupe R. Ensuite, nous nous concentrons sur une ligne formée d'éthylbenzènes empilées–π sur la surface de Si(100), où les atomes de silicium sont explicitement inclus dans le calcul. Quoique les molécules permettent le transport d'électronsà certaines énergies, un canal se forme à travers le substrat qui peut dominer la conductance. Nous étudions aussi comment certains substituants peuvent moduler les propriétés de transport électronique de ces fils moléculaires. Nous trouvons que la conductance du fil moléculaire peut être modifiée pour dominer l'effet du substrat.Enfin, la conductance de la surface métallique Si(111)–7 × 7 est analysée. Dans lebut d'expliquer théoriquement les expériences suggérant que les marches atomiques réduisent la conductance de la surface, la structure atomique et les propriétés de transport de ces marches ont été examinées. Les résultats révèlent que c'est la déformation atomique des dimères le long des marches qui cause ce phénomène, en raison de la formation d'une bande interdite localisée proche de la marche