A Figura mostra a comparação entre SS-DFT e métodos DFT amplamente utilizados para um dispositivo molecular que consiste em dois eletrodos de nanotubo de carbono (CNT) e uma molécula de benzeno entre:(a) curvas I-V calculadas; (b) a diferença de energia calculada subtraindo a energia DFT da SS-DFT. A figura mostra que SS-DFT prediz o estado de transporte energeticamente mais estável com correntes elétricas mais baixas quando comparado com o método baseado em DFT. Crédito:Zhang Chun
Os cientistas computacionais da NUS desenvolveram uma nova versão da teoria do funcional da densidade (DFT) para estudar dispositivos em nanoescala.
Os dispositivos eletrônicos estão ficando menores e incorporando maior funcionalidade. Isso é possível reduzindo o tamanho dos componentes eletrônicos. Quando seu tamanho diminui, as propriedades desses dispositivos moleculares tornam-se muito mais sensíveis ao seu ambiente externo. Métodos computacionais são necessários para simular e prever as propriedades desses pequenos dispositivos. Um deles é a teoria do funcional da densidade. Esses métodos são desenvolvidos a partir dos primeiros princípios, compreendendo conhecimentos básicos e fundacionais que já conhecemos. Os cientistas computacionais da NUS refinaram a teoria para levar em consideração os efeitos de não equilíbrio presentes durante a operação dos dispositivos (por exemplo, quando uma bateria está conectada a um sistema quântico). Isso leva a uma previsão mais precisa e precisa.
Prof ZHANG Chun e seu Ph.D. aluna, LIU Shuanglong junto com o pesquisador, Dr. Argo NURBAWONO, do Departamento de Física, A NUS desenvolveu uma versão mais geral da popular e amplamente usada teoria do funcional da densidade (DFT) que pode ser aplicada a situações de não equilíbrio em estado estacionário. Eles introduziram um grau adicional de liberdade, conhecida como densidade de elétrons fora de equilíbrio, na modelagem de primeiros princípios. Isso leva em consideração os efeitos de desequilíbrio induzidos pelo viés quando um dispositivo molecular opera sob um viés finito. Esta nova versão da teoria é conhecida como DFT de estado estacionário (SS-DFT).
Os pesquisadores demonstraram que o DFT amplamente utilizado, em princípio, não é correto em um cenário de não equilíbrio em estado estacionário. Em tal situação, dois parâmetros diferentes, a densidade total de elétrons e a densidade de elétrons portadores de corrente, são necessários para determinar as propriedades do sistema de não equilíbrio correspondente. A nova teoria foi implementada no pacote computacional da Iniciativa Espanhola para Simulações Eletrônicas com Milhares de Átomos (SIESTA) para estudar propriedades eletrônicas / de transporte de vários dispositivos em escala molecular.
O SS-DFT fornece uma ferramenta teórica confiável para compreensão e design futuro de novos dispositivos em escala molecular com funcionalidade aprimorada. O pacote computacional baseado em SS-DFT agora está sendo usado por muitos grupos de pesquisa em todo o mundo. É usado para explicar fenômenos de transporte intrigantes observados experimentalmente no nível molecular e para projetar novos tipos de dispositivos moleculares.
Os pesquisadores planejam expandir a aplicabilidade da teoria, incluindo outros efeitos físicos, tais como interações elétron-fônon e acoplamento spin-orbital. Eles também pretendem melhorar a eficiência computacional para que ela possa ser usada para modelar grandes sistemas em torno de 1, 000 átomos.
