Original title:
The Application of the Non-Equilibrium Green's Function Formalism for Electronic Transport Calculations
Authors:
HRONEK, Lukáš Document type: Master’s theses
Year:
2025
Language:
eng Abstract:
[eng][cze] The thesis focuses on coherent electron transport in molecular junctions facilitated by a quantum tunneling mechanism. Theoretical description of the quantum transport can be formulated at various levels of sophistication, differing in accuracy, computational demand, scaling, and applicability. Here, the non-equilibrium Green's function (NEGF) formalism, which enables a proper description of open systems affected by applied bias potentials, is discussed. The Keldysh formalism and the key Meir-Wingreen relation for transmission for elastic transport are reviewed. In a computational part, practical applicability of NEGF within density functional theory (DFT) or tight-binding (TB) potentials is demonstrated on different model systems, ranging from small molecular junctions to redox-active porphyrin junctions or even large protein junctions. Aspects of the popular TranSiesta and CP2K implementations are discussed and compared on transmission calculations. Further, the influence of structural features, such as contact shapes and molecular anchoring groups, on the transport properties is demonstrated. Finally, we discuss more approximate approaches allowing large-scale system transport calculations and discuss their accuracy together with ad-hoc approaches such as DFT+Sigma to reach agreement with experimental current-voltage data.Tato práce se zaměřuje na koherentní transport elektronů v molekulárních můstcích zprostředkovaný mechanismem kvantového tunelování. Teoretický popis kvantového transportu může být formulován na různých úrovních sofistikovanosti, lišících se přesností, výpočetní náročností, škálováním a aplikovatelností. Je zde diskutován formalismus nerovnovážných Greenových funkcí (NEGF), který umožňuje správný popis otevřených systémů ovlivněných aplikovaným napětím. Je podána rešerše Keldyshova formalismu a odvození Meirovy-Wingreenovy relace pro transmisi pro elastický transport. Ve výpočetní části je aplikovatelnost NEGF v rámci teorie funkcionálu hustoty (DFT) nebo tight-binding (TB) potenciálů demonstrována na různých modelových systémech, od malých molekulárních můstků přes redox-aktivní porfyrinové můstky až po velké proteinové můstky. Aspekty populárních implementací TranSiesta a CP2K jsou diskutovány a porovnány na výpočtech transmise. Dále je demonstrován vliv strukturních vlastností, jako jsou tvary kontaktů a molekulární vazebné skupiny, na transportní vlastnosti. Nakonec diskutujeme aproximativnější přístupy umožňující transportní výpočty rozsáhlých systémů a diskutujeme jejich přesnost společně s ad-hoc přístupy, jako je DFT+Sigma, k dosažení shody s experimentálními daty.
Keywords:
elektronový transport; Greenovy funkce; Keldyshův formalismus; kvantový transport; Landauerův vzorec; NEGF; TranSiesta; transmise Citation: HRONEK, Lukáš. The Application of the Non-Equilibrium Green's Function Formalism for Electronic Transport Calculations. České Budějovice, 2025. diplomová práce (Mgr.). JIHOČESKÁ UNIVERZITA V ČESKÝCH BUDĚJOVICÍCH. Přírodovědecká fakulta
Institution: University of South Bohemia in České Budějovice
(web)
Document availability information: Fulltext is available in the Digital Repository of University of South Bohemia. Original record: http://www.jcu.cz/vskp/74739