[論文レビュー] Role of contact formation process in transport properties of molecular junctions: conductance of Au/BDT/Au molecular wires

Zhanyu Ning, Wei Ji+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2009

Molecular Junctions and Nanostructures被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、Au/BDT/Au分子ジャンクションにおける接触形成プロセスが量子輸送に与える影響を、精密に調査している。第一原理計算を用いて、チオール基に含まれる水素原子が接触形成中に解離しないまま残存することを示しており、その結果、実験データと一致する電導度が得られる。水素原子が解離していると予想される電導度は、実験値より10倍以上も高くなるため、分子エレクトロニクスのシミュレーションにおいて、接触の正確なモデル化が不可欠であることが示された。

ABSTRACT

We report theoretical investigations on the role of contact formation process and its resulting structures to quantum transport in molecular wires and show that these processes critically control charge conduction. It was found, for Au(111)/1,4-benzenedithiol(BDT)/Au(111) junctions, the hydrogen atom in the thiol groups is energetically non-dissociative after the contact formation. The calculated conductances and junction breakdown forces of H-non-dissociative Au/BDT/Au devices are consistent with the experimental values, while the H-dissociated devices give conductances more than an order of magnitude larger. The results can be well understood by examining the scattering states that traverse the contacts. This work clearly demonstrates that the contact formation process must be carefully understood in order to correctly capture quantum transport properties of molecular nanoelectronics.

研究の動機と目的

• 接触形成プロセスが分子ジャンクションにおける量子輸送に与える影響を理解すること。
• Au/BDT/Auジャンクションにおける理論的電導度予測と実験的測定値の乖離を解消すること。
• チオール基に含まれる水素原子が接触形成中に解離するかどうか、およびその電子構造に与える影響を特定すること。
• 実験的電導度と破壊力の値を再現できる正しい接触配置を同定すること。
• 異なる接触構造を有するジャンクションにおける散乱状態が輸送挙動をどのように決定するかを明確にすること。

提案手法

• 電子輸送をモデル化するために、密度汎関数理論（DFT）と非平衡グリーン関数（NEGF）形式を組み合わせた第一原理計算を用いた。
• Au(111)表面に存在するAu/BDT/AuジャンクションのH非解離型およびH解離型の両方の構造をシミュレートした。
• ジャンクションを通過する伝導経路を理解するために、電子構造および散乱状態を分析した。
• 両接触構造の電導度およびジャンクション破壊力を計算し、実験データと比較した。
• エネルギー最小化および構造的緩和を用いて、接触形成後の安定した接触幾何構造を特定した。
• 界面結合およびオビタル混合化が輸送特性に与える影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Au/BDT/Au分子ジャンクションの形成過程で水素の解離が生じるか？
• RQ2 H非解離型およびH解離型の接触構造が、分子ジャンクションの電導度にどのように影響を与えるか？
• RQ3 H解離型ジャンクションの理論的電導度が、なぜ実験値よりも著しく高いのか？
• RQ4 異なる接触構造を有するジャンクションにおいて、散乱状態が輸送特性を決定づける役割を果たすか？
• RQ5 非解離接触をモデル化した場合にのみ、正しい実験的電導度と破壊力が再現可能か？

主な発見

• エネルギー最小化および安定性解析により、Au/BDT/Auジャンクションにおける接触形成後もチオール基の水素原子が非解離状態を維持していることが確認された。
• H非解離型ジャンクションの電導度は実験値と一致しており、この構造が物理的に正確であると妥当性が裏付けられた。
• H解離型ジャンクションは、実験値よりも10倍以上も高い電導度を予測するため、解離を仮定した場合に顕著な理論的誤差が生じることが示された。
• この乖離の原因は散乱状態の違いに起因する：非解離型ジャンクションでは電導度を抑制する局在状態が観察されるが、解離型では強い結合性と高い透過率が実現される。
• 非解離型モデルの計算によるジャンクション破壊力は、実験測定値と整合的であり、さらにその妥当性を裏付けた。
• 本研究は、分子エレクトロニクスにおける量子輸送の信頼できる予測を行うために、接触形成プロセスの正確なモデル化が不可欠であることを示した。