Transport properties of metal-metal and metal-insulator heterostructures

In this study we present results of electronic structure and transport calculations for metallic and metal-insulator interfaces, based on density functional theory and the non-equilibrium Green's function method. Starting from the electronic structure of bulk Al, Cu, Ag, and Au interfaces, we study the effects of different kinds of interface roughness on the transmission coefficient (T(E)) and the I-V characteristic. In particular, we compare prototypical interface distortions, including vacancies, metallic impurities, non-metallic impurities, interlayer, and interface alloy. We find that vacancy sites have a huge effect on transmission coefficient. The transmission coefficient of non-metallic impurity systems has the same behaviour as the transmission coefficient of vacancy system, since these systems do not contribute to the electronic states at the Fermi energy. We have also studied the transport properties of Au-MgO-Au tunnel junctions. In particular, we have investigated the influence of the thickness of the MgO interlayer, the interface termination, the interface spacing, and O vacancies. Additional interface states appear in the O-terminated configuration due to the formation of Au-O bonds. An increasing interface spacing suppresses the Au-O bonding. Enhancement of T(E) depends on the position and density of the vacancies (the number of vacancies per unit cell).In dieser Arbeit werden die elektronischen Eigenschaften und Ergebnisse der Transportrechnungen für metallische- und Metall-Isolator-Grenzflächen, basierend auf Methoden der Dichte-Funktional-Theorie und Nicht-Gleichgewichts-Greenscher Funktionen präsentiert. Ausgehend von der Bandstruktur und der Zustandsdichte von Al, Cu, Ag und Au Grenzflächen werden die Auswirkungen von verschiedenartigen Störungen auf den Transmissionskoeffizient (T(E)) und der Strom-Spannungs-Kennlinie (I-V Charakteristik) untersucht. Im einzelnen vergleichen wir die Einflüsse von prototypischen Grenzflächen-Verformungen, Fehlstellen, metallische- und nicht-metallische Störstellen, Zwischenlagen und Grenzschicht-Legierungen. Wir zeigen, dass Fehlstellen grossen Einfluss auf den Transmissionskoeffizienten haben. Der Transmissionskoeffizient nicht-metallischer Störstellensysteme weist das gleiche Verhalten auf, wie in Systemen mit Fehlstellen, da die Verunreinigungen in beiden Fällen keinen Beitrag zu Zuständen an der Fermikante liefern. Ein weiterer Teil der Arbeit beschäftigt sich mit den Transporteigenschaften von Au-MgO-Au Tunnelkontakten. Hier untersuchen wir den Einfluss der Dicke der MgO Zwischenschicht, der Grenzflächenterminierung, der Grenzflächenabstände und O-Fehlstellen. Dabei zeigt sich, dass aufgrund von Au-O Bindungen zusätzliche Zustände in den O-terminierten Konfigurationen, entstehen. Eine Vergrösserung der Grenzflächenabstände unterdrückt die Au-O Bindungen. Eine Erhöhung des Transmissionskoeffizienten hängt von der Position und der Dichte der Fehlstellen (Anzahl der Fehlstellen pro Einheitszelle) ab