[論文レビュー] Transport properties of molecular junctions from many-body perturbation theory

Tonatiuh Rangel, Andrea Ferretti+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2011

Molecular Junctions and Nanostructures参考文献 36被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、Landauerフレームワーク内での多体摂動理論（MBPT）を用いて、分子ジャンクションにおける電子輸送を調査した。G0W0近似による準粒子固有状態エネルギーの補正のみでは、DFTによる過大評価されたゼロバイアス電導度を低減できないことが判明した。代わりに、非対角的自己エネルギー要素を含めることで波動関数を更新することが、実験値との一致を達成するために不可欠であり、その主な要因はフェルミ準位における分子軌道と金のeg(dz2)軌道の特性の変化に起因する。

ABSTRACT

The conductance of single molecule junctions is calculated using a Landauer approach combined to many-body perturbation theory MBPT) to account for electron correlation. The mere correction of the density-functional theory eigenvalues, which is the standard procedure for quasiparticle calculations within MBPT, is found not to affect noticeably the zero-bias conductance. To reduce it and so improve the agreement with the experiments, the wavefunctions also need to be updated by including the non-diagonal elements of the self-energy operator.

研究の動機と目的

• 標準的なDFTに基づくLandauer手法による単一分子ジャンクションにおけるゼロバイアス電導度の継続的過大評価を是正すること。
• 特にG0W0近似を含むMBPTによる多体補正が、実験的電導度値との一致を改善できるかどうかを評価すること。
• 正確な輸送予測のために、準粒子固有状態エネルギーの補正のみか、波動関数の更新も併せて必要かどうかを特定すること。
• 先行研究で広く用いられている分子プロジェクター・モデル（MPM）とab initioのMBPT結果を比較し、差異の原因を同定すること。

提案手法

• 電子構造から電導度を計算するために、Landauer-Büttiker形式を採用した。
• 準粒子エネルギーと波動関数を得るために、ab initio G0W0計算およびクーロンホールスクリーニング交換法を用いた。
• 非平衡グリーン関数を用いて輸送特性を計算するために、最大局在的Wannier関数（MLWFs）とWanTコードを用いた。
• 非対角的自己エネルギー行列要素をCHSX近似により含め、固有エネルギー補正を超えて波動関数を更新した。
• PBE交換相関関数とノルム保存型擬ポテンシャルを用い、AbiPrismパッケージでDFTおよびMBPT計算を実施した。
• すべてのパラメータ（kポイント、カットオフ、グリッド）を収束させ、電導度の誤差が0.001 G₀未満になるようにした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MBPTを用いてDFTの準粒子固有状態エネルギーのみを補正することで、弱い結合分子ジャンクションにおけるゼロバイアス電導度が著しく低減されるか？
• RQ2 非対角的自己エネルギー行列要素が波動関数をどのように変化させ、結果として電導度に影響を与えるか？
• RQ3 ab initioのMBPT結果と、先行研究で広く用いられている分子プロジェクター・モデル（MPM）との間で、定量的な比較はどのようになるか？
• RQ4 MBPTにおける電導度の低減を引き起こす電子構造的変化（例：軌道特性）は何か？

主な発見

• G0W0またはCHSX近似による準粒子固有状態エネルギーの補正のみでは、ゼロバイアス電導度にほとんど影響を与えず、DFTによる過大評価は最大3桁のオーダーにわたって残存した。
• 非対角的自己エネルギー要素を含めることで波動関数を更新することで、電導度が顕著に低減され、実験測定値との一致が著しく向上した。
• 電導度の低減は、主に分子軌道の特性の低下と、ジャンクション付近の金原子におけるeg(dz2)軌道の特性の増加に起因する。
• 分子プロジェクター・モデル（MPM）とab initio結果との差異は、スカイサーオペレータのシフト量Δが不正確であることと、モデル内で金原子の波動関数に変化がないことに起因する。
• CHSX近似は、バンドギャップを過大評価するが、非対角的自己エネルギー効果を含むため、G0W0に比べて電導度の予測がより良好であった。