[論文レビュー] Vibration-assisted tunneling through competing molecular states

Katja C. Nowack, M. R. Wegewijs|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2005

Molecular Junctions and Nanostructures参考文献 4被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、2つの非 degenerate で非対称に結合された電子受容軌道と1つの分子内振動モードを有する単一分子ジャンクションにおける振動子支援トンネル効果を調査する。軌道の非対称性が非平衡フィードバック機構を可能にし、強い負微分伝導度（NDC）を生成することを示している。このNDCは1軌道系では観察されず、振動緩下に対して頑健である。NDCは軌道間の競合に起因し、強く結合された軌道が振動モードを捕らえる一方、弱く結合された軌道が電流輸送を可能にし、フィードバックを強化することで、ゲート電圧およびバイアス電圧依存性により検出可能な明確な電流振動および孤立した共鳴が生じる。

ABSTRACT

We calculate the non-linear tunneling current through a molecule with two electron-accepting orbitals which interact with an intramolecular vibration. We investigate the interplay between Coulomb blockade and non-equilibrium vibration-assisted tunneling under the following assumptions: (i) The Coulomb charging effect restricts the number of extra electrons to one. (ii) The orbitals are non-degenerate and couple asymmetrically to the vibration. (iii) The tunneling induces a non-equilibrium vibrational distribution; we compare with the opposite limit of strong relaxation of the vibration due to some dissipative environment. We find that a non-equilibrium feedback mechanism in the tunneling transitions generates strong negative differential conductance (NDC) in the model with two competing orbitals, whereas in a one-orbital model it leads only to weak NDC. In addition, we find another mechanism leading to weak NDC over a broader range of applied voltages. This pervasive effect is completely robust against strong relaxation of the vibrational energy. Importantly, the modulation of the electronic transport is based on an intramolecular asymmetry. We show that one can infer a non-equilibrium vibrational distribution when finding NDC under distinct gate- and bias-voltage conditions. In contrast, we demonstrate that any NDC effect in the one-orbital case is completely suppressed in the strong relaxation limit.

研究の動機と目的

• クーロンブロックの下で、振動モードが多軌道分子ジャンクションにおける電子輸送に与える影響を理解すること。
• 競合する電子状態を有する系における非平衡振動分布とトンネル電流の相乗的相互作用を調査すること。
• 負微分伝導度（NDC）が単一分子トランジスタにおける非平衡振動状態を診断するツールとして機能できるかどうかを特定すること。
• 多軌道系における輸送特性を規定する要因として、振動緩下と非平衡フィードバックの役割を比較すること。

提案手法

• 本研究は、クーロンブロックを伴う2軌道分子ジャンクションを対象として、非平衡トンネル電流をモデル化するためのマスター方程式法を用いる。
• 電子-振動子結合および電荷遷移時の核再配置を考慮するために、フランク＝コンドン因子を組み込む。
• 弱いトンネル（$\Gamma \ll T$）を仮定し、非平衡および強く緩下された振動分布の両方を検討する。
• 電流は、ランダウエア＝ビュッテイカー形式から導出された遷移率を用いて計算され、詳細つり合い条件を適用してNDCを評価する。
• 軌道非対称性およびフィードバックの役割を分離するために、1軌道系と2軌道系の比較的分析を実施する。
• レート方程式を用いた解析的導出により、NDCの理論的条件を導出し、非平衡状態における振動分布がある場合にのみ、左電極共鳴点でNDCが可能であることを示している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強い電子-振動子結合が存在しない状況下でも、非平衡振動フィードバックによって2軌道分子ジャンクションに負微分伝導度（NDC）が出現する可能性があるか？
• RQ2 電子-振動子結合における軌道非対称性が、単一分子トンネルデバイスにおけるNDCの形成にどのように影響するか？
• RQ3 多軌道系において、非平衡振動分布の輸送シグネイチャと平衡分布のシグネイチャの主な相違点は何か？
• RQ4 強い振動緩下下では1軌道系ではNDCが抑制されるが、2軌道系ではNDCが持続する理由は何か？
• RQ5 電流-電圧曲線上に孤立した電流ピークおよび振動が観察される場合、これは非平衡振動状態を推定する手がかりとして利用可能か？

主な発見

• 2軌道モデルでは、競合する軌道間の非平衡フィードバック機構により強い負微分伝導度（NDC）が発現するが、1軌道系では観察されない。
• NDC効果は強い振動緩下に対しても頑健であるため、コherentな振動ダイナミクスに依存するのではなく、電子-振動子結合の非対称性に起因していることが示唆される。
• フランク＝コンドンプログレッションにより、交互に現れる伝導共鳴および反共鳴が生じ、強い緩下下でも持続する電流の振動が観察される。
• バイアス依存的な振動エネルギー再分配に起因し、温度（$T$）に比例する幅の孤立した電流ピークが発生する。これは非平衡ダイナミクスを示している。
• 左電極共鳴点（$\mu_L = \mu - \mu_k^i$）におけるNDCは、非平衡振動分布の明確な特徴として機能する。これは平衡状態では発生できないため、非平衡状態の明示的サインである。
• 一方、1軌道モデルでは弱いNDCしか示さず、強い緩下下ではNDCが完全に抑制される。これは、強力なNDCを可能にするために軌道非対称性が不可欠であることを強調している。