De figuur toont het conceptuele verschil tussen steady-state DFT (gebruikt door het onderzoeksteam) en de standaard DFT-methode. In stationaire DFT is de transporttoestand een functie van twee dichtheden, de totale elektronendichtheid ρt en de stroomvoerende elektronendichtheid ρn. De standaard DFT kan als “eendimensionaal” worden beschouwd, aangezien de transporttoestand alleen wordt bepaald door ρt. De tweedimensionale (2D) kleurcontour vertegenwoordigt de energie van de stationaire transporttoestand Ess. Steady-state DFT zoekt naar de meest stabiele transporttoestand in het 2D-vlak (globale minimale energietoestand), terwijl de standaard DFT zoekt langs de ρt-as (lokale minimale energietoestand). Wanneer het systeem bijna in evenwicht is, is ρn klein en ligt het zoekpad van de stationaire DFT dicht bij de ρt-as. Voor dergelijke gevallen kan de standaard DFT-methode een goede benadering zijn. Krediet: Horizons op nanoschaal
NUS-wetenschappers hebben een nieuw type niet-evenwichtseffecten voorspeld die over het algemeen zouden kunnen voorkomen in elektronische apparaten op nanoschaal, en hebben met succes een recent raadselachtig experiment verklaard met behulp van de effecten.
Het begrijpen van door bias geïnduceerde niet-evenwichtseffecten op elektronentransporteigenschappen van knooppunten op nanoschaal is de centrale kwestie in computationele nanowetenschap. De op de standaard dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) gebaseerde eerste-principemethode die DFT en niet-evenwichtsfuncties van Green’s functies combineert, is op grote schaal gebruikt bij het modelleren van niet-evenwichtige nanoschaalapparaten. Dit verschaft kwalitatief begrip van experimenten door de gemeten geleiding te relateren aan tunneling van elektronen door “moleculaire” orbitalen van de apparaten.
Een recent experiment rapporteerde echter verrassende transportverschijnselen door silaanverbindingen die niet kunnen worden begrepen door de standaard DFT-methode. De geleiding voor verschillende silaanmoleculen die zijn verbonden met twee verschillende linkergroepen (amine of thiol) aan ofwel goud (Au) of zilver (Ag) metaalelektroden, werd gemeten. Er werd gevonden dat, bij gebruik van de aminelinker, de Au-elektrode een veel hogere geleiding genereert in vergelijking met een Ag-elektrode. Met de thiol-linker keert deze trend om en is de Ag-elektrode aanzienlijk meer geleidend dan de Au-elektrode. Daarentegen voorspellen op DFT gebaseerde berekeningen dat de Au-elektrode altijd meer geleidend is dan de Ag-elektrode, ongeacht het type linkers. Deze tegenstelling tussen theoretische en experimentele resultaten stelt de gemeenschap van computationele nanowetenschap voor een spannende uitdaging.
Om deze uitdaging aan te gaan, heeft de onderzoeksgroep onder leiding van prof. Zhang Chun van de afdeling Natuurkunde en de afdeling Scheikunde, National University of Singapore, de theoretische transporteigenschappen van silaanverbindingen bestudeerd, voortbouwend op de steady-state DFT-techniek die werd voorgesteld door prof. Zhang zelf in 2015. De steady-state DFT houdt volledig rekening met niet-evenwichtseffecten door gebruik te maken van niet-evenwichtige kwantumstatistieken. Ze ontdekten dat aan de raadselachtige experimentele waarnemingen een nieuw type niet-evenwichtseffecten (in hun werk “niet-evenwichtstrekken” genoemd) ten grondslag liggen die voorkomen in silaanverbindingen met thiol-linkers. Hun theoretische berekeningen laten zien dat, wanneer de junctie bijna in evenwicht is, de standaard DFT-methode een uitstekende benadering is van stationaire toestanden. Bij lage voorspanningen rond het gebied van 0,2 volt drijft het “niet-evenwichtstrekkende” effect de thiol-getermineerde silanen echter ver weg van het evenwicht, wat resulteert in de omkering van de in experimenten waargenomen geleidingswaarden.
Prof Zhang zegt dat “nadere analyse suggereert dat deze niet-evenwichtseffecten over het algemeen kunnen bestaan in apparaten op nanoschaal waarin zich geleidende kanalen bevinden die zich voornamelijk bij het broncontact bevinden en zich dicht bij het biasvenster bevinden. Deze bevindingen verbreden ons fundamentele begrip van elektronentransport aan de nanoschaal.”
Zhuoling Jiang et al, Prominente niet-evenwichtseffecten die verder gaan dan de standaard first-principles-benadering in elektronische apparaten op nanoschaal, Horizonten op nanoschaal (2021). DOI: 10.1039/d1nh00293g
Geleverd door de Nationale Universiteit van Singapore
