Nichtgleichgewichts-Ladungstransport in molekularen Nanostrukturen: Theorie und Anwendungen

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Thoss
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 250586750

Die Untersuchung quantenmechanischer Transportprozesse in molekularen Nanostrukturen ist ein Forschungsgebiet von hohem aktuellem Interesse. Einen Schwerpunkt bilden Ladungs- und Energietransportprozesse in molekularen Kontakten, in denen einzelne Moleküle an Metall- oder Halbleiterelektroden gebunden sind. Diese Systeme verbinden die Möglichkeit, grundlegende Aspekte quantenmechanischer Vielteilchensysteme im Nichtgleichgewicht auf der Skala von wenigen Nanometern zu untersuchen, mit der Perspektive für technologische Anwendungen in nanoelektronischen Bauelementen. Experimentelle und theoretische Untersuchungen in den letzten Jahren haben zu einem Verständnis der stationären Transporteigenschaften molekularer Kontakte beigetragen. Die Aufklärung transienter und zeitabhängige Phänomene in diesen Systemen unter Nichtgleichgewichtsbedingungen steht dagegen erst am Anfang. Ziel des Projekts ist die Entwicklung akkurater und effizienter theoretischer Methoden zur Beschreibung von Nichtgleichgewichtstransportprozessen in molekularen Nanostrukturen und deren Anwendung zur Aufklärung der grundlegenden physikalischen Mechanismen. Zu untersuchende Aspekte beinhalten die Existenz und Eindeutigkeit von stationären Zuständen in molekularen Kontakten, Zeitskalen und Dynamik vor Erreichen des stationären Zustands, die Rolle von Relaxationsmechanismen wie Elektron-Elektron- bzw. Elektron-Phonon-Wechselwirkung, Schaltverhalten und Hysterese sowie die Möglichkeit gezielt Quantenzustände unter Nichtgleichgewichtsbedingungen zu erreichen. Weiterhin sollen Fluktuationen und Rauschphänomene untersucht werden. Diese Aspekte sollen sowohl an parametrisierten Modellen als auch an spezifischen Beispielen molekularer Kontakte, basierend auf first-principles-Beschreibungen, untersucht werden. Das langfristige Ziel des Projekts ist es, ein umfassendes Verständnis transienter und zeitabhängiger Phänomene in molekularen Nanostrukturen unter Nichtgleichgewichtsbedingungen zu entwickeln.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen