[論文レビュー] Nanowire Gold Chains: Formation Mechanisms and Conductance

Hannu Häkkinen, R. N. Barnett+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2000

Molecular Junctions and Nanostructures被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、ab initio 密度汎関数理論および電導度計算を用いて、ひずみ下での金ナノワイヤーが二重鎖からねじれ鎖へ、最終的に線形でジメル化された原子鎖へと変化することを明らかにした。この過程では、方向性のある spd 交雑結合に起因する安定した約 1g₀ の電導度プラトーが観察され、機械的引張りによる実験的観察結果である量子化された電導度と構造的変化を説明するものである。

ABSTRACT

Structural transformations, electronic spectra and ballistic transport in pulled gold nanowires are investigated with ab initio simulations, and correlated with recent measurements. Strain-induced yield of an initial double-strand wire results first in formation of a bent-chain which transforms upon further elongation to a linear atomic chain exhibiting dimerized atomic configurations. These structures are stabilized by directional local bonding with spd-hybridization. The conductance of the initial double-stranded contact is close to 2g_0 and it drops sharply to 1g_0 during the transformation to a single chain, exhibiting subsequently a 1g_0 plateau extending over an elongation well above typical Au-Au distances.

研究の動機と目的

• 機械的引張り下での延長された金ナノワイヤーにおける原子スケールの構造的変化および変換メカニズムを解明すること。
• 二重鎖から単一原子鎖への遷移における実験的観察された電導度量子化および 2g₀ から 1g₀ への急激な低下を説明すること。
• 線形原子鎖構造を安定化させる電子的構造および結合特性を特定すること。
• なぜこのような延長された単一原子鎖が金では安定であるが、ナトリウムのような単純金属では安定でないのかを明確にすること。
• 制御されたチップ引張り実験における形成メカニズムと、異常な大きな原子間隔を示す電子線被照射ナノブリッジ構造における形成メカニズムを区別すること。

提案手法

• 金ナノワイヤーのひずみ下での構造的および電子的性質をモデル化するため、大規模な ab initio 密度汎関数理論（DFT）シミュレーションを実施した。
• 電導度は Landauer-Büttiker 形式を用いて計算され、伝達固有モードは非平衡グリーン関数法から導出された。
• 系は (110) 面を有する 29 原子の金電極を二つ持ち、間隔 L を変化させ、各延長ステップで原子位置を完全に最適化した。
• 構造的変化は、L を 11.5 Å から 18.0 Å まで 0.25–1.0 Å の刻みで増加させ、各ステップでエネルギーと電導度を計算した。
• 結合の特徴を特定するため、オルビタル解析および電子密度マップを用いた。特にワイヤー領域における s, p, d 軌道の交雑化を評価した。
• 二重鎖（ds）からねじれ鎖（bc）へ、さらに線形鎖（lc）構造への遷移に注目し、内層と端部原子のジメル化パターンを詳細に分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二重鎖状の金ナノワイヤーが機械的ひずみ下でどのように単一原子鎖へと変化するのか、その原子スケールのメカニズムは何か？
• RQ2 二重鎖からねじれ鎖構造への遷移において、なぜ電導度が約 1.79g₀ から約 1.68g₀ に急激に低下するのか？
• RQ3 spd 交雑軌道は、線形原子鎖の安定化と 1g₀ 近辺の長期間にわたる電導度プラトーの実現にどのように寄与しているのか？
• RQ4 二重鎖、ねじれ鎖、線形鎖構造の間で、電子的構造および結合特性にはどのような相違があるのか？
• RQ5 なぜ安定で延長された単一原子鎖の金ナノワイヤーはチップ引張り実験では観察されるが、電子線被照射ナノブリッジ構造では観察されないのか？

主な発見

• 二重鎖からねじれ鎖への遷移はひずみの蓄積に起因し、電導度が 1.79g₀ から 1.68g₀ に急激に低下するとともに、引張力も低下する。
• ねじれ鎖構造はエネルギー的に有利であり、さらなる延長に伴い線形鎖に変化し、ジメル化原子配置により安定化される。
• 線形鎖は 4–4.5 Å の延長にわたり約 1g₀ の長期間にわたる電導度プラトーを示し、実験的観察と整合的である。
• 線形鎖の安定性は、特に端部で顕著な sd 交雑化と、内層原子で s および dz² 軌道からの σ 型結合に起因する方向性のある結合に起因する。
• 内層ジメル化（id）が先に発生し、その後に端部原子ジメル化（ed）が発生する。後者は端部原子に強い s および d 軌道寄与（s⁰.⁴⁸dₓ²⁻ʸ²⁰.⁴⁶）を示し、内層原子では s⁰.⁸⁶p_z⁰.¹¹d_z²⁰.⁰³ を示す。
• 安定な単一原子鎖の形成は金に特有であり、その特異な spd 交雑化能力に起因する。このような鎖はナトリウムのような単純金属では安定せず、他の系では同様の挙動が観察されないことを説明する。