[논문 리뷰] Variability of the thermal conductance of gold-alkane-gold single-molecule junctions studied using ab-initio and molecular dynamics approaches

J. C. Klöckner, Fabian Pauly|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 06.

Molecular Junctions and Nanostructures참고 문헌 63인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 밀도함수이론(DFT)을 이용한 아비-아이디오 방법과 비평형 그린 함수(NEGF), 비평형 분자역학(NEMD)을 활용하여 금-알케인-금 단일분자 접합에서의 열전도도 변동성을 조사한다. 열전도도는 접합 기하학적 구조와 내부 분자 결함에 매우 민감한 것으로 밝혀졌지만, 짧은 알케인 체인(C4–C10)에서는 진동자기 전도가 탄성적이고 위상일관성이 유지되며, 동적 구조 변동에도 불구하고 실온에서 평균 20–40 pW/K의 열전도도를 보인다.

ABSTRACT

Motivated by recent experiments, we study the variability of the thermal conductance of single dithiolated alkane molecules of varying length connecting two gold electrodes. For this purpose, we examine (i) the influence of the metal-molecule contact and of the electrode orientation on the thermal conductance of straight alkane chains, (ii) the effect of molecule-internal disorder realized through torsional gauche defects and the behavior upon stretching, and (iii) the modifications resulting from temperature-dependent dynamical variations of the geometry. While we analyze the former two aspects with a combination of density functional theory (DFT) and nonequilibrium Green's function (NEGF) methods, in the latter case we use nonequilibrium molecular dynamics (NEMD). Our calculations show the size of the variation of the phonon thermal conductance due to changes in contact geometry, that gauche defects generally reduce the thermal conductance but that they vanish upon stretching of the junction, and that the thermal conductance at elevated temperatures results from an average over many junction configurations, including alkanes with thermally excited gauche defects. Overall we find a good agreement between the DFT-NEGF and NEMD approaches for our room-temperature investigations. This confirms that anharmonic effects do not play a major role in alkane chains containing between four to ten carbon atoms. The phonon heat transport thus proceeds elastically and phase-coherently through these short molecular junctions.

연구 동기 및 목표

• 원자 척도의 구조적 변동으로 인한 단일분자 접합에서의 진동자기 열전도도 변동성을 이해하기 위해.
• 금속-분자 접합 기하학적 구조와 전극 방향이 열전도도에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 가우치 결함과 같은 내부 분자 불순물이 열전도도에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 온도에 의한 동적 변동이 짧은 알케인 체인의 열전도에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 실온에서의 열전도도를 예측하기 위해 정적 DFT-NEGF와 동적 NEMD 접근법을 비교하기 위해.

제안 방법

• 다양한 접합 기하학적 구조와 전극 방향을 가진 직선 알케인 체인의 진동자기 전도도 및 열전도도를 계산하기 위해 DFT-NEGF를 활용하였다.
• 응력 조건에서 열전도도에 미치는 영향을 연구하기 위해 제어된 가우치 결함을 포함한 접합을 생성하였다.
• 큰 금속 저수지와 함께 NEMD 시뮬레이션을 수행하여 전극 간격과 분자 구조의 열적 변동을 모델링하였다.
• 저해상도 시간 해상도의 실험 측정 조건을 시뮬레이션하기 위해 시간에 따라 변화하는 구조에 대한 열전도도를 평균화하였다.
• 비평형 효과가 진동자기 전도에 미치는 영향을 평가하기 위해 DFT-NEGF와 NEMD 결과를 비교하였다.
• 고유채널 별 진동자기 전도도를 활용하여 접합 기하학에 민감한 진동 모드를 규명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Au-알케인-Au 접합의 열전도도는 다양한 금속-분자 접합 기하학적 구조와 전극 방향에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 내부 가우치 결함은 알케인 체인의 열전도도를 어느 정도 감소시키며, 스트레인을 가할 경우 이러한 결함는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 접합 기하학의 온도에 의한 동적 변동은 측정된 열전도도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 비선형 효과, 예를 들어 진동자기-진동자기 산란과 같은 요소들이 짧은 분자 접합에서 열전도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 피코초에서 초 단위의 시간 스케일로 평균화된 열전도도는 실험 측정 결과와 일치하는가?

주요 결과

• 접합 기하학적 구조와 전극 방향의 변화로 인해 열전도도가 ±5 pW/K 변동하며, C4–C10 체인의 평균 값은 35–40 pW/K 수준이다.
• 가우치 결함이 있는 체인은 결함이 없는 체인보다 항상 열전도도가 낮지만, 인장 응력 조건에서는 결함이 사라지며 높은 열전도도로 복귀한다.
• 일시적인 결함이 포함된 동적 변동 구조에 대한 평균 열전도도는 20–40 pW/K 범위에 있으며, 실험 측정 결과와 일치한다.
• NEMD 시뮬레이션 결과, 가우치 결함은 피코초 단위의 시간 스케일에서 나타나고 사라지며, 이는 실험 측정이 여러 구조 상태를 평균화하고 있음을 의미한다.
• DFT-NEGF와 NEMD 결과 간 양호한 일치는 C4–C10 알케인 접합에서 비선형 효과가 미미하다는 것을 확인하며, 탄성적이고 위상일관성이 있는 진동자기 전도가 이루어지고 있음을 시사한다.
• 이러한 짧은 분자 접합에서 진동자기 전도는 탄성적으로 일관되게 진행되며, 실온에서 진동자기-진동자기 산란의 영향은 미미하다.