Density functional theory (DFT) investigation of novel materials for application in sensing

Abstract

Dichtefunktionaltheorie (DFT) ist eine etablierte Methode zur Untersuchung und Modelierung der elektronischen Eigenschaften von Mehrteilchensystemen. In dieser Arbeit wird DFT verwendet, um verschiedene mögliche Strukturen von Metallorganischen Gerüstverbindungen (englisch Metal-Organic Frameworks, MOFs) auf der Basis von Nickelionen und Terephthalsäure-Verbindungselementen zu analysieren. Zusätzlich wird DFT verwendet, um den Effekt von Deformation auf die Bandlücke einer einzelnen Lage Molybdändisulfid (MoS2) zu modellieren, indem eine Deformation im Bereich von -0,5% bis 0,5% angewendet wird. Die resultierenden Bandstrukturen werden verwendet, um die effektiven Massen der Elektronen am Minimum des Leitungsbandes zu bestimmen, was Einblicke in den Einfluss der Deformation auf den intrinsischen Ladungstransport unter Verwendung eines Ensemble-Monte-Carlo-Ansatzes bietet. Darüber hinaus werden die Ergebnisse, die mit verschiedenen Pseudopotentialen und Austausch-Korrelationsfunktionen erhalten wurden, verglichen.Berechnungen zur Strukturoptimierung der MOFs zeigten systematisch, dass im Vergleich zu den Ausgangsstrukturen die koordinativen Bindungen der Ni-Ionen enger und die abstoßenden Kräfte zwischen den organischen Verbindungselementen als stärker vorhergesagt wurden. Dies deutet darauf hin, dass bestimmte Arten von Wechselwirkungen, insbesondere Wechselwirkungen auf lange Reichweite, nicht genau berücksichtigt wurden. Der gesamte Berechnungsansatz erwies sich als unpraktisch und daher ungeeignet für weitere Untersuchungen. Im Fall von MoS2 wird gezeigt, dass über alle DFT-Varianten hinweg konsistent eine Abnahme der Beweglichkeit bei kompressiver Dehnung vorhergesagt wird. Dies kann auf höhere Streuungsraten aufgrund kleinerer Energieunterschiede zwischen den Minima des Leitungsbandes zurückgeführt werden. Im Gegensatz dazu führte eine einheitliche Zugdehnung stets zu einer erhöhten Ladungsträgerbeweglichkeit.

Density Functional Theory (DFT) is a well-established method for investigating and modeling the electronic properties of many-body systems. In this thesis, DFT is employed to analyze various possible structures of Metal-Organic Frameworks (MOFs) based on nickel ions and terephthalic acid linkers. Additionally, it is used to model the effect of strain on the band gap of a molybdenum disulfide (MoS2) monolayer by applying a biaxial strain in the range of –0.5% to 0.5%. The resulting band structures are used to determine the effective masses of electrons at the conduction band minima, which provide insights into the influence of strain on intrinsic carrier transport using an Ensemble Monte Carlo approach. Furthermore, the results obtained with different pseudopotentials and exchange-correlation functionals are compared.Structure optimization calculations for the MOFs systematically showed that compared to the initial structures the complex bonds of the Ni ions were predicted to be tighter and the repulsive forces between the organic linkers to be stronger. This indicates that different types of interactions, especially long-range interactions have not been accounted for accurately. The overall approach proved to be impractical and therefore unsuitable for further explorations. In the case of MoS2, it is demonstrated that across all DFT variants, a decrease of mobility for compressive strain is consistently predicted. This can be attributed to the fact that strain induces changes in the conductive band of monolayer MoS2 in such a way that narrows the gap between two conduction band minima. The smaller energy difference between the conduction band minima induces higher scattering between these two bands, reducing the overall charge carrier mobility. Conversely, tensile strain consistently led to enhanced mobility.