Strukturelle, elektronische und dynamische Eigenschaften von Kohlenstoffnanomaterialien

In dieser Arbeit untersuchen wir verschiedene niederdimensionale Kohlenstoffstrukturen mittels ab initio und semi-empirischen Berechnungen. Die Arbeit gliedert sich in zwei Teile. Zunächst beschäftigen wir uns mit Picotube Molekülen sowie deren Verhältnis zu Kohlenstoff Nanotubes. Im zweiten Teil wird der Einfluss von mechanischer Verspannung einerseits sowie Funktionalisierung andererseits auf die Materialeigenschaften von Graphen untersucht. Picotubes sind hoch-symmetrische, ringförmige Kohlenwasserstoffe, die Substrukturen von armchair Nanotubes darstellen. Wir zeigen, dass sich die strukturelle Ähnlichkeit beider Materialsysteme in den Eigenschwingungen widerspiegelt. Erstens weisen Picotubes und Nanotubes optische Schwingungsmoden bei ähnlichen Frequenzen auf. Weiterhin finden wir in allen untersuchten Picotubes radiale Atmungsmoden, deren Frequenzen wie im Falle von Nanotubes indirekt proportional zum Durchmesser sind. Aufgrund der weitgehenden Analogien zwischen beiden Strukturen gelten Picotubes als Ausgangspunkt für eine potentielle gezielte Synthese sortenreiner Nanotubes. Wir widmen uns dieser Fragestellung mit molekulardynamischen Simulationen von in Nanotubes eingefüllten Picotubemolekülen. Abhängig von der simulierten Temperatur zeigen unsere Berechnungen Oszillationen sowie eine kontinuierliche axiale Bewegung der Picotubes im Nanotube. Bei Temperaturen über 2500 K führen chemische Umwandlungen zu einer Transformation der Picotubestruktur in eine kurze, geschlossene Röhre. Insbesondere das zuletzt genannte Ergebnis ist im Hinblick auf eine mögliche Herstellung definierter Nanotubes von großer Bedeutung. Im zweiten Teil beschäftigen wir uns mit Graphen Nanoribbons. Mechanische Verspannung sowie die Art der Passivierung der Randatome haben einen großen Einfluss auf die elektronischen Eigenschaften und die Phononen von Nanoribbons. Die Bandlücke von verspannten armchair Nanoribbons vergrößert oder verkleinert sich je nach dem, welcher Familie der Nanoribbon gemäß der gängigen Klassifikation angehört. Dieses Phänomen lässt sich konsistent im Sinne früherer Arbeiten zu verspanntem Graphen interpretieren. Dasselbe gilt für die Frequenzen der wichtigsten Schwingungsmoden, die alle eine Verschiebung zu kleineren Werten zeigen. Unter dem Einfluss einer Funktionalisierung der Ränder mit Hydroxylgruppen beobachten wir zum Teil ähnliche Effekte. Wir zeigen, dass sich die Bandlücke funktionalisierter Nanoribbons einerseits durch Verspannung, aber auch durch eine Änderung der Quantisierungsbedingung der elektronischen Wellenfunktionen ändert. Des Weiteren untersuchen wir die energetischen Verschiebungen charakteristischer Phononen. Unsere Daten legen die Möglichkeit nahe, den Grad der Funktionalisierung in Raman Experimenten zu bestimmen. Insbesondere die starke Abhängigkeit der Bandlücke von potentiell einstellbaren äußeren Faktoren könnte sich in zukünftigen nanoelektronischen Anwendungen als nützlich erweisen.In this work we study a variety of low-dimensional carbon structures by means of ab initio and semi-empirical calculations. The thesis comprises two main parts. The first one deals with picotube molecules and their relation to carbon nanotubes. In the second part, we investigate how strain and edge functionalization affect the fundamental properties of graphene nanoribbons. Carbon picotubes are a class of highly symmetric, ringlike hydrocarbons which closely resemble short sections from armchair nanotubes. We demonstrate that this structural analogy leads to typical vibrational characteristics of nanotubes being inherited onto picotubes. Apart from optical modes found in the same frequency range as in nanotubes, picotubes exhibit radial-breathing modes as well. We find the frequency of this mode to depend inversely on the picotube diameter in accordance with the relation known from carbon nanotubes. Owing to the close relation of both carbon allotropes picotubes are considered suitable starting points for a controlled synthesis of nanotubes. We address this issue by molecular dynamics simulations of picotubes encapsulated in nanotubes in a peapod-like configuration. Our temperature-dependent studies reveal three independent effects. Besides oscillations of the picotubes in the nanotube and a continuous molecular transport along its axis we observe a transformation of the picotube structure into a tubular form at temperatures around 2500 K. The latter result might be a step along the path to a bottom-up synthesis of specific types of nanotubes. Another form of fascinating one-dimensional carbon materials besides nanotubes are graphene nanoribbons. The second part of this thesis covers uniaxial strain and hydroxyl edge passivation in armchair nanoribbons. The electronic and vibrational properties of these ribbons prove to be highly sensitive to both of the mentioned modifications. We find the band-gap of strained nanoribbons to strongly increase or decrease depending on the family armchair nanoribbons are commonly classified in. These shifts, which are linear in a large strain range, can be interpreted in terms of earlier reports on the band structure of uniaxially strained graphene. The main vibrational modes of nanoribbons show a severe red-shift under tensile strain which can be related to corresponding studies on graphene as well. Introducing hydroxyl edge passivation leads to partially comparable effects since the ribbon structure is strained upon this type of functionalization. We successfully explain the observed band-gap energies of hydroxylized nanoribbons by a combination of strain effects and a modified effective confinement condition for the electronic wave functions. Finally we present data on prominent phonons including specific vibrations of the hydroxyl groups which suggest that the degree of functionalization may be determined in Raman experiments. Especially our findings on tunable band-gap energies by applying strain or attaching functional edge groups might be of significant technological relevance in future nano-electronic applications