Figuren visar den konceptuella skillnaden mellan steady-state DFT (används av forskargruppen) och standard DFT-metoden. I steady-state DFT, transporttillståndet är en funktion av två densiteter, den totala elektrontätheten ρt och den strömförande elektrondensiteten ρn. Standard DFT kan anses vara "endimensionell" eftersom transporttillståndet endast bestäms av ρt. Den tvådimensionella (2D) färgkonturen representerar energin i det stationära transporttillståndet Ess. Steady-state DFT söker efter det mest stabila transporttillståndet i 2D-planet (globalt minimienergitillstånd) medan standard DFT gör sökningen längs ρt-axeln (lokalt minimumenergitillstånd). När systemet är nära jämvikt, ρn är liten och sökvägen för stationär DFT är nära ρt-axeln. För sådana fall, standard DFT-metoden kan vara en bra uppskattning. Kredit:Nanoscale Horizons
NUS-forskare har förutspått en ny typ av icke-jämviktseffekter som i allmänhet kan existera i elektroniska enheter i nanoskala, och förklarade framgångsrikt ett nyligen förbryllande experiment med hjälp av effekterna.
Att förstå bias-inducerade icke-jämviktseffekter på elektrontransportegenskaper hos nanoskaliga korsningar är den centrala frågan inom beräkningsnanovetenskap. Den standard densitet funktionell teori (DFT)-baserade första principer metod som kombinerar DFT och icke-jämvikt Greens funktioner tekniker har använts i stor utsträckning i modellering icke-jämvikt nanoskala enheter. Detta ger kvalitativ förståelse av experiment genom att relatera den uppmätta konduktansen till tunnling av elektroner genom enheternas "molekylära" orbitaler.
Ett nyligen genomfört experiment, dock, rapporterade överraskande transportfenomen genom silanövergångar som inte kan förstås med standard DFT-metoden. Konduktansen för olika silanmolekyler anslutna med två olika länkgrupper (amin eller tiol) till antingen guld (Au) eller silver (Ag) metallelektroder mättes. Det visade sig att, när man använder aminlinkern, Au-elektroden genererar en mycket högre konduktans jämfört med en Ag-elektrod. Med tiollinkern, denna trend vänder och Ag-elektroden är betydligt mer ledande än Au-elektroden. I kontrast, DFT-baserade beräkningar förutspår att Au-elektroden alltid är mer ledande än Ag-elektroden oavsett typ av länkar. Denna motsättning mellan teoretiska och experimentella resultat ställer gemenskapen av beräkningsnanovetenskap inför en spännande utmaning.
För att möta denna utmaning, forskargruppen ledd av professor Zhang Chun från institutionen för fysik och institutionen för kemi, National University of Singapore, studerade de teoretiska transportegenskaperna hos silanövergångar med utgångspunkt i steady-state DFT-tekniken som föreslogs av professor Zhang själv redan 2015. steady-state DFT överväger icke-jämviktseffekter fullt ut genom att använda icke-jämviktskvantstatistik. De fann att bakom de förbryllande experimentella observationerna är en ny typ av icke-jämviktseffekter (som kallas "icke-jämviktsdragning" i deras arbete) som finns i silanövergångar med tiollinkrar. Deras teoretiska beräkningar visar att när korsningen är nära jämvikt, standard DFT-metoden är en utmärkt approximation av steady state-förhållanden. Dock, vid låga förspänningar runt området 0,2 volt, den "icke-jämviktsdragande" effekten driver de tiolterminerade silanerna långt bort från jämvikt, vilket resulterar i omkastning av konduktansvärden som observerats i experiment.
Prof Zhang säger att "ytterligare analys tyder på att dessa icke-jämviktseffekter i allmänhet skulle kunna existera i enheter i nanoskala där det finns ledande kanaler som huvudsakligen finns vid källkontakten och som är belägna nära förspänningsfönstret. Dessa fynd vidgar avsevärt vår grundläggande förståelse av elektrontransport vid nanoskala."
