[論文レビュー] Asymmetric currents in a donor (D)-bridge (B)-acceptor (A) single molecule - revisit of the Aviram-Ratner diode

Haiying He, Ravindra Pandey+2 more|ArXiv.org|Sep 19, 2008

Molecular Junctions and Nanostructures被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、密度汎関数理論およびLandauer-Büttiker形式主義を用いて、D-B-A 単一分子ジャンクションにおける非対称な電流整流を調査する。整流の原因は、置換基によって誘導される内在的ドールプレンスモーメントに起因し、前向きバイアスと逆向きバイアスで不均一な極化を引き起こす。前向きバイアスでは HOMO-LUMO 隙が閉じられ、電流が増加するが、逆向きバイアスでは隙間が広がり、電流が抑制される。その結果、強い整流行動が生じる。

ABSTRACT

The quantum transport via a donor (D)-bridge (B)-acceptor (A) single molecule is studied using density functional theory in conjunction with the Landauer-Büttiker formalism. Asymmetric electrical response for opposite biases is observed resulting in significant rectification in current. The intrinsic dipole moment induced by substituent side groups in the molecule leads to enhanced/reduced polarization of the system under a forward/reverse applied potential, thus asymmetry in the charge distribution and the electronic current under bias. Under a forward bias, the energy gap between the D and A frontier orbitals closes and the current increases rapidly; whereas under a reverse bias, the D-A gap widens and the current remains small.

研究の動機と目的

• ドーナー・ブリッジ・アクセプター単一分子ジャンクションにおける非対称な電流-電圧応答の起源を理解すること。
• 置換基からの内在的分子ドールプレンスモーメントがバイアス下での電荷分布および輸送に与える影響を調査すること。
• 前線軌道の配置が整流効率を決定づける役割を分析すること。
• 元々のAviram-Ratnerモデルを超える理論的説明を提供すること。

提案手法

• D-B-A 分子の電子構造および前線軌道エネルギーを計算するために密度汎関数理論（DFT）が用いられる。
• 量子輸送特性および電流-電圧特性を計算するためにLandauer-Büttiker形式主義が適用される。
• 電流の非対称性を評価するために、前向きおよび逆向きバイアス条件下での系の応答が分析される。
• サイド鎖置換基によって誘導される内在的ドールプレンスモーメントが測定され、バイアス下での極化変化と相関づけられる。
• 印加電圧の関数として、ドナーのHOMOとアクセプターのLUMO間のエネルギー隙間の変化が追跡される。
• バイアス下での電荷分布および電子構造の変更が評価され、整流のメカニズムが説明される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 置換基からの内在的ドールプレンスモーメントは、D-B-A 単一分子ジャンクションにおける電流非対称性にどのように影響するか？
• RQ2 前向きバイアスと逆向きバイアスの下で、整流を可能にする前線軌道の配置の役割は何か？
• RQ3 なぜ前向きバイアスでは電流が急激に増加するのに対し、逆向きバイアスでは電流が低く保たれるのか？
• RQ4 HOMO-LUMO 隙は印加電圧とともにどのように変化するのか？その影響は整流にどのようなものか？
• RQ5 単純なトンネルモデルを超えて、分子の極化効果が整流にどの程度寄与しているのか？

主な発見

• 前向きバイアス下では、ドナーのHOMOとアクセプターのLUMO間のエネルギー隙間が閉じられ、電流が急激に増加する。
• 逆向きバイアス下では、D-A 隙が広がり、電流の流れが抑制され、低伝導度が生じる。
• サイドグループからの内在的ドールプレンスモーメントが非対称な極化を引き起こし、電流の対称性を破る。
• 電子的隙間のバイアス依存的変調のおかげで、整流比が顕著に向上する。
• 観察された整流行動は、分子ドールプレンス効果によって引き起こされる非対称な電荷再配分に起因する。
• 本研究の結果は、元々のAviram-Ratnerダイオードモデルを超える、単一分子ジャンクションにおける強い整流のメカニズムを提供する。