[논문 리뷰] Transport properties of molecular junctions from many-body perturbation theory

Tonatiuh Rangel, Andrea Ferretti외 3명|arXiv (Cornell University)|2011. 02. 09.

Molecular Junctions and Nanostructures참고 문헌 36인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 Landauer 프레임워크 내에서 many-body perturbation theory (MBPT)를 사용하여 분자 접합에서의 전자 이동도를 조사한다. DFT에 의해 과도하게 예측된 0 전압에서의 도전도를 줄이기 위해 GW 근사법을 통해 준입자 고유에너지만 수정하는 것은 실패하며, 오히려 전파함수를 수정하기 위해 비대칭 자기에너지 요소를 포함하는 것이 실험 결과와의 일치를 이루기 위해 필수적임을 밝혀냈다. 이는 주로 페르미 수준에서 분자의 궤도 성분을 감소시키고 금속의 eg(dz2) 궤도 성분을 증가시킴으로써 이루어진다.

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.

연구 동기 및 목표

• 표준 DFT 기반 Landauer 접근법에서 약한 결합된 분자 접합에서 지속적으로 과도하게 예측되는 0 전압에서의 도전도 문제를 해결하기 위해.
• 특히 GW 근사법을 포함한 many-body 보정이 실험적 도전도 값과의 일치도를 향상시킬 수 있는지 평가하기 위해.
• 정확한 운반 예측을 위해 준입자 고유에너지만 수정하는 것인지, 또는 전파함수의 수정도 필요로 하는지 규명하기 위해.
• 이전 연구에서 널리 사용된 분자 프로젝터 모델(MPM)과의 비교를 통해 오차의 근본 원인을 규명하기 위해.

제안 방법

• 전자 구조에서 도전도를 계산하기 위해 Landauer-Büttiker 형식을 사용하였다.
• 준입자 에너지와 전파함수 확보를 위해 ab initio GW 계산(G0W0 및 쿨롱홀 스크리닝된 교환)을 사용하였다.
• 비균형 Green 함수를 위해 최대 국소화 Wannier 함수(MLWFs)와 WanT 코드를 사용하여 운반 성질을 계산하였다.
• 비대칭 자기에너지 행렬 요소를 CHSX 근사법을 통해 포함하여 고유에너지 수정 외에 전파함수 수정을 수행하였다.
• PBE 교환-상관 기능과 노름-보존 허위전자를 사용하여 DFT 및 MBPT 계산을 AbiPrism 패키지로 수행하였다.
• 모든 매개변수(k-점, 截取, 격자)를 수렴시켜 도전도 오차가 0.001 G₀ 이내가 되도록 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MBPT를 통해 DFT의 준입자 고유에너지만 수정할 경우, 약한 결합된 분자 접합에서 0 전압에서의 도전도가 유의미하게 감소하는가?
• RQ2 비대칭 자기에너지 행렬 요소가 전파함수를 어떻게 수정하고, 그로 인해 도전도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 ab initio MBPT 결과와 이전 연구에서 널리 사용된 분자 프로젝터 모델(MPM) 간의 정량적 비교는 어떻게 이루어지는가?
• RQ4 MBPT에서 도전도 감소의 원인인 전자 구조의 물리적 변화(예: 궤도 성분)는 무엇인가?

주요 결과

• G0W0 또는 CHSX 근사법을 통해 준입자 고유에너지만 수정하는 것은 0 전압에서의 도전도에 거의 영향을 주지 않으며, 이로 인해 도전도는 여전히 최대 3개의 주자 수준으로 과도하게 예측된다.
• 비대칭 자기에너지 요소를 포함하여 전파함수를 수정하면 도전도가 크게 감소하여 실험 측정치와의 일치도가 향상된다.
• 도전도 감소의 주요 원인은 분자의 궤도 성분 감소와 접합 부근 금속 원자에서의 eg(dz2) 궤도 성분 증가에 기인한다.
• 분자 프로젝터 모델과 ab initio 결과 간의 격차는 스카이서 연산자 이격량 Δ의 잘못된 값과 모델에서 금속 원자에서의 전파함수 변화가 없기 때문이다.
• CHSX 근사법은 밴드 갭을 과도하게 예측하지만, 비대칭 자기에너지 효과를 포함하고 있기 때문에 G0W0보다 도전도 예측에서 더 우수한 일치도를 보인다.