[论文解读] 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 1

一句话总结

本研究采用多体微扰理论（MBPT）在兰道尔框架下研究分子结中的电子输运。结果表明，仅通过GW近似修正准粒子本征能级无法降低DFT方法对零偏压电导率的过度估计；相反，必须通过包含非对角自能矩阵元来更新波函数，才能实现与实验的一致性，这主要通过降低费米能级附近的分子轨道特征并增强金原子eg(dz2)轨道特征来实现。

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.

研究动机与目标

• 解决标准DFT基兰道尔方法在单分子结中持续高估零偏压电导率的问题。
• 评估通过MBPT（特别是GW近似）进行多体修正是否能改善与实验电导率值的一致性。
• 确定在准确预测输运性质时，是否仅修正准粒子本征能级，或还需同时更新波函数。
• 将从头计算的MBPT结果与广泛使用的分子投影模型（MPM）进行比较，并确定差异的根源。

提出的方法

• 采用兰道尔-布蒂克形式化方法，从电子结构计算电导率。
• 使用从头计算的GW方法（G0W0和库仑孔屏蔽交换）获得准粒子能级和波函数。
• 利用最大局域化Wannier函数（MLWFs）和WanT代码计算非平衡格林函数的输运性质。
• 通过CHSX近似引入非对角自能矩阵元，以在本征能级修正之外更新波函数。
• 使用AbiPrism软件包进行DFT和MBPT计算，采用PBE交换-关联泛函和规范守恒赝势。
• 收敛所有参数（k点、截断、网格），以确保电导率误差小于0.001 G₀。

实验结果

研究问题

• RQ1 仅通过MBPT对DFT中的准粒子本征能级进行修正，是否能显著降低弱耦合分子结中的零偏压电导率？
• RQ2 非对角自能矩阵元在改变波函数并进而影响电导率方面起什么作用？
• RQ3 从头计算的MBPT结果与先前研究中广泛使用的分子投影模型（MPM）在定量上如何比较？
• RQ4 电子结构中的哪些物理变化（如轨道特征）导致了MBPT中电导率的降低？

主要发现

• 仅通过G0W0或CHSX近似修正准粒子本征能级对零偏压电导率影响可忽略不计，电导率仍被高估达三个数量级。
• 通过包含非对角自能矩阵元来更新波函数，可显著降低电导率，使其更接近实验测量值。
• 电导率的降低主要源于分子轨道特征的减少和金原子附近eg(dz2)轨道特征的增强。
• 分子投影模型与从头计算结果之间的差异源于两方面：一是剪切算符位移Δ的取值不正确，二是模型中未考虑金原子上波函数的变化。
• 尽管CHSX近似高估了带隙，但由于其包含了非对角自能效应，其电导率预测结果优于G0W0。