Extensive LDA and quasi-particle calculations have been performed on boron nitride (BN) single-wall and multi-wall nanotubes. Strain energies are found to be smaller for BN nanotubes than for carbon nanotubes of the same radius, owing to a buckling effect which stabilizes the BN tubular structure. For tubes larger than 9.5 Å in diameter, the lowest conduction band is predicted to be free-electron-like with electronic charge density localized inside the tube. For these tubes, this band is at constant energy above the top of the valence band. Consequently, contrarily to carbon nanotubes, single- and multi-wall BN nanotubes are constant-band-gap materials, independent of their radius and helicity. In addition, we expect them to exhibit remarkable properties under n-type doping.

This article reviews the electronic and transport properties of carbon nanotubes. The focus is mainly theoretical, but when appropriate the relation with experimental results is mentioned. While simple band-folding arguments will be invoked to rationalize how the metallic or semiconducting character of nanotubes is inferred from their topological structure, more sophisticated tight-binding and ab initio treatments will be introduced to discuss more subtle physical effects, such as those induced by curvature, tube-tube interactions, or topological defects. The same approach will be followed for transport properties. The fundamental aspects of conduction regimes and transport length scales will be presented using simple models of disorder, with the derivation of a few analytic results concerning specific situations of short- and long-range static perturbations. Further, the latest developments in semiempirical or ab initio simulations aimed at exploring the effect of realistic static scatterers (chemical impurities, adsorbed molecules, etc.) or inelastic electron-phonon interactions will be emphasized. Finally, specific issues, going beyond the noninteracting electron model, will be addressed, including excitonic effects in optical experiments, the Coulomb-blockade regime, and the Luttinger liquid, charge density waves, or superconducting transition.

The quasiparticle band structure of bulk hexagonal boron nitride is studied within the GW approximation for the self-energy operator. The influence of the interlayer distance on the band structure is investigated both within the local density approximation and the quasiparticle approach, and the importance of an interlayer state in determining the gap is demonstrated. Also, the quasiparticle band structure for an isolated sheet of boron nitride is calculated. We show that the equivalent of the interlayer state in the case of the isolated boron nitride sheet plays the same role as in the bulk case in determing the band gap.

We report on a numerical study of electronic transport in chemically doped 2D graphene materials. By using ab initio calculations, a self-consistent scattering potential is derived for boron and nitrogen substitutions, and a fully quantum-mechanical Kubo-Greenwood approach is used to evaluate the resulting charge mobilities and conductivities of systems with impurity concentration ranging within [0.5, 4.0]%. Even for a doping concentration as large as 4.0%, the conduction is marginally affected by quantum interference effects, preserving therefore remarkable transport properties, even down to the zero temperature limit. As a result of the chemical doping, electron-hole mobilities and conductivities are shown to become asymmetric with respect to the Dirac point.

We report the successful synthesis of ${\mathrm{B}}_{\mathit{x}}$${\mathrm{C}}_{\mathit{y}}$${\mathrm{N}}_{\mathit{z}}$ nanotubes. Arc-discharge methods were used to produce stable nanotubule structures identified by high-resolution transmission-electron microscopy. Local electron-energy-loss spectroscopy of K-edge absorptions for B, C, and N atoms was used to determine the atomic compositions of individual tubules. Tubes of stoichiometry ${\mathrm{BC}}_{2}$N and ${\mathrm{BC}}_{3}$ have been observed, in agreement with theoretical predictions.

We evaluate the performances of ab initio GW calculations for the ionization energies and HOMO-LUMO gaps of thirteen gas phase molecules of interest for organic electronic and photovoltaic applications, including the C60 fullerene, pentacene, free-base porphyrins and phtalocyanine, PTCDA, and standard monomers such as thiophene, fluorene, benzothiazole or thiadiazole. Standard G0W0 calculations, that is starting from eigenstates obtained with local or semilocal functionals, significantly improve the ionization energy and band gap as compared to density functional theory Kohn-Sham results, but the calculated quasiparticle values remain too small as a result of overscreening. Starting from Hartree-Fock-like eigenvalues provides much better results and is equivalent to performing self-consistency on the eigenvalues, with a resulting accuracy of 2~4% as compared to experiment. Our calculations are based on an efficient gaussian-basis implementation of GW with explicit treatment of the dynamical screening through contour deformation techniques.

Quasiparticle band structures of six II-VI compounds (ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, and CdTe in the zinc-blende and wurtzite structures) are calculated using the GW approximation. Results for band structures, calculated using the ab initio pseudopotential method within the local-density approximation (LDA), are given along with the energies of the quasiparticle excitations at symmetry points. Comparisons are made with measured values and trends in the GW corrections to the LDA band structures are examined.

We present first-principles calculations of quantum transport in chemically doped graphene nanoribbons with a width of up to 4 nm. The presence of boron and nitrogen impurities is shown to yield resonant backscattering, whose features are strongly dependent on the symmetry and the width of the ribbon, as well as the position of the dopants. Full suppression of backscattering is obtained on the $\ensuremath{\pi}\ensuremath{-}{\ensuremath{\pi}}^{*}$ plateau when the impurity preserves the mirror symmetry of armchair ribbons. Further, an unusual acceptor-donor transition is observed in zigzag ribbons. These unconventional doping effects could be used to design novel types of switching devices.

The 0–0 energies of 80 medium and large molecules have been computed with a large panel of theoretical formalisms. We have used an approach computationally tractable for large molecules, that is, the structural and vibrational parameters are obtained with TD-DFT, the solvent effects are accounted for with the PCM model, whereas the total and transition energies have been determined with TD-DFT and with five wave function approaches accounting for contributions from double excitations, namely, CIS(D), ADC(2), CC2, SCS-CC2, and SOS-CC2, as well as Green's function based BSE/GW approach. Atomic basis sets including diffuse functions have been systematically applied, and several variations of the PCM have been evaluated. Using solvent corrections obtained with corrected linear-response approach, we found that three schemes, namely, ADC(2), CC2, and BSE/GW allow one to reach a mean absolute deviation smaller than 0.15 eV compared to the measurements, the two former yielding slightly better correlation with experiments than the latter. CIS(D), SCS-CC2, and SOS-CC2 provide significantly larger deviations, though the latter approach delivers highly consistent transition energies. In addition, we show that (i) ADC(2) and CC2 values are extremely close to each other but for systems absorbing at low energies; (ii) the linear-response PCM scheme tends to overestimate solvation effects; and that (iii) the average impact of nonequilibrium correction on 0–0 energies is negligible.