[論文レビュー] Negative differential conductance in molecular junctions: an overview of experiment and theory

Bingqian Xu, Yonatan Dubi|arXiv (Cornell University)|May 28, 2015

Molecular Junctions and Nanostructures参考文献 116被引用数 11

ひとこと要約

本レビューは、電圧の上昇に伴い電流が減少する、単分子接合における負微分伝導度（NDC）の実験的および理論的進展を統合的に要約する。共振トンネル効果、ポラロン効果、分子オービタルのエネルギー準位配置が主なメカニズムであると特定され、次世代ナノエレクトロニクスにおけるシリコンを超える非線形I-V特性を示す分子エレクトロニクス素子の設計に包括的なフレームワークを提供する。

ABSTRACT

One of the ultimate goals of molecular electronics is to create technologies that will complement - and eventually supersede - Si-based microelectronics technologies. To reach this goal, electronic properties that mimic at least some of the electrical behaviors of today's semiconductor components must be recognized and characterized. AN outstanding example for one such behavior is negative differential conductance (NDC), in which an increase in voltage across the device terminals results in a decrease in the electrical current passing through the device. This overview focuses on the NDC phenomena observed in metal-single molecule-metal junctions, and is roughly divided into two parts. In the first part, the central experiments which demonstrate NDC in single-molecule junctions are critically overviewed, with emphasis on the main observations and their possible physical origins. The second part is devoted to the theory of NDC in single-molecule junctions, where simple models are employed to shed light on possible mechanisms leading to NDC.

研究の動機と目的

• 金属–単一分子–金属接合における負微分伝導度（NDC）の実験的観察を体系的に行う。
• 電子構造効果および電子振動子結合を含む、NDCの物理的起源を特定および分析する。
• 主要な輸送現象を捉える最小限のモデルを用いて、NDCの理論的基盤を提供する。
• 将来的な分子エレクトロニクス素子の設計のため、実験的知見と理論的理解を橋渡しする。
• NDCが高度な分子スケール回路素子に不可欠な非線形輸送現象として果たす役割を強調する。

提案手法

• ブレイクジャンクション技術および走査トンネル顕微鏡ブレイクジャンクション（STM-BJ）設定からの実験データの分析により、NDCの特徴を同定する。
• 非平衡グリーン関数（NEGF）形式主義とマスター方程式手法を組み合わせて、電子輸送をモデル化する。
• 電子振動子結合効果を研究するため、アンドリソン＝ホルスタインモデルなどの最小限のモデルを用いる。
• 単一準位および多準位モデルを用いて、分子オービタルを通る共鳴トンネルを調査する。
• 電流-電圧（I-V）特性の数値シミュレーションを行い、実験的NDC行動を再現および説明する。
• 理論的予測と実験結果の比較により、提案されたメカニズムの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単分子接合における負微分伝導度（NDC）の主な実験的実現方法は何か？
• RQ2 分子の電子構造および電子振動子結合は、分子接合におけるNDCにどのように寄与するか？
• RQ3 観測されたNDC行動を最もよく説明する理論的モデルは何か？
• RQ4 分子エネルギー準位の電極フェルミ準位との整合性は、NDCにどのように影響を与えるか？
• RQ5 シンプルなモデルは、実験的に観察されたNDCの特徴を再現できるか？その限界は何か？

主な発見

• NDCは、ジチオール化分子や金属有機錯体を含むさまざまな単分子接合で実験的に観測されている。
• 特にHOMOまたはLUMO準位がバイアス窓に一致する場合、分子オービタルを通る共鳴トンネルがNDCの支配的メカニズムである。
• 強い振動モードを有する系では、電子振動子結合がフランク＝コンドン遮断を介してポラロン的NDCを引き起こす。
• アンドリソン＝ホルスタインモデルのような理論的モデルは、動的電子相関および核の緩和を考慮することで、NDCを効果的に再現する。
• 最適化された接合ではNDCの大きさが30％を超えることがあり、スイッチング応用に適した強い非線形応答を示す。
• 分子の幾何学的配置、接触構造、および電子的結合の相互作用が、NDCの再現性および大きさを決定する。