Modellering af uligevægtsforbindelser i nanoskala med steady-state densitet funktionel teori

NUS-forskere har forudsagt en ny type ikke-ligevægtseffekter, der generelt kunne eksistere i elektroniske enheder i nanoskala, og forklarede med succes et nyligt gådefuldt eksperiment ved hjælp af effekterne.

Forståelse af bias-inducerede ikke-ligevægtseffekter på elektrontransportegenskaber af nanoskala-kryds er det centrale problem inden for beregningsmæssig nanovidenskab. Den standarddensity functional theory (DFT)-baserede first-principles-metode, der kombinerer DFT og nonequilibrium Greens funktioners teknikker, er blevet brugt i vid udstrækning til modellering af nonequilibrium nanoskala-enheder. Dette giver en kvalitativ forståelse af eksperimenter ved at relatere den målte konduktans til tunnelering af elektroner gennem enhedernes "molekylære" orbitaler.

Et nyligt eksperiment, imidlertid, rapporterede overraskende transportfænomener gennem silanforbindelser, som ikke kan forstås af standard DFT-metoden. Konduktansen for forskellige silanmolekyler forbundet med to forskellige linkergrupper (amin eller thiol) til enten guld (Au) eller sølv (Ag) metalelektroder blev målt. Man fandt ud af, at ved brug af aminlinkeren, Au-elektroden genererer en meget højere ledningsevne sammenlignet med en Ag-elektrode. Med thiol-linkeren, denne tendens vender, og Ag-elektroden er væsentligt mere ledende end Au-elektroden. I modsætning, DFT-baserede beregninger forudsiger, at Au-elektroden altid er mere ledende end Ag-elektroden uanset typen af ​​linkere. Denne modsætning mellem teoretiske og eksperimentelle resultater stiller fællesskabet af computational nanoscience over for en spændende udfordring.

For at løse denne udfordring, forskningsgruppen ledet af professor Zhang Chun fra Institut for Fysik og Institut for Kemi, National University of Singapore, undersøgte de teoretiske transportegenskaber af silankryds baseret på steady-state DFT-teknikken, som blev foreslået af Prof Zhang selv tilbage i 2015. steady-state DFT betragter ikke-ligevægtseffekter fuldt ud ved at anvende ikke-ligevægtskvantestatistikker. De fandt ud af, at bagved de forvirrende eksperimentelle observationer er en ny type ikke-ligevægtseffekter (kaldet "ikke-ligevægtstræk" i deres arbejde), der eksisterer i silanforbindelser med thiollinkere. Deres teoretiske beregninger viser, at når krydset er tæt på ligevægt, standard DFT-metoden er en fremragende tilnærmelse af steady state-forhold. Imidlertid, ved lave forspændinger omkring området 0,2 volt, "nonebalance pulling"-effekten driver de thiol-terminerede silaner langt væk fra ligevægt, hvilket resulterer i vending af konduktansværdier observeret i eksperimenter.

Prof Zhang siger, at "yderligere analyse tyder på, at disse ikke-ligevægtseffekter generelt kan eksistere i nanoskalaenheder, hvor der er ledende kanaler, der hovedsageligt er bosat ved kildekontakten og placeret tæt på bias-vinduet. Disse resultater udvider vores grundlæggende forståelse af elektrontransport ved nanoskala."