Modelagem de junções de nanoescala de não-equilíbrio com teoria funcional de densidade de estado estacionário
p A figura mostra a diferença conceitual entre o DFT em estado estacionário (usado pela equipe de pesquisa) e o método DFT padrão. Em DFT de estado estacionário, o estado de transporte é funcional de duas densidades, a densidade total de elétrons ρt e a densidade de elétrons portadores de corrente ρn. O DFT padrão pode ser considerado “unidimensional”, pois o estado de transporte é determinado apenas por ρt. O contorno de cor bidimensional (2D) representa a energia do estado estacionário Ess. O DFT de estado estacionário procura o estado de transporte mais estável no plano 2D (estado de energia mínima global) enquanto o DFT padrão faz a procura ao longo do eixo ρt (estado de energia mínima local). Quando o sistema está perto do equilíbrio, ρn é pequeno e o caminho de busca da DFT em estado estacionário é próximo ao eixo ρt. Para tais casos, o método DFT padrão pode ser uma boa aproximação. Crédito:Nanoscale Horizons
p Os cientistas da NUS previram um novo tipo de efeitos de não equilíbrio que geralmente podem existir em dispositivos eletrônicos em nanoescala, e explicou com sucesso um experimento recente usando os efeitos. p Compreender os efeitos do desequilíbrio induzido por viés nas propriedades de transporte de elétrons de junções em nanoescala é a questão central na nanociência computacional. O método de primeiros princípios baseado na teoria funcional de densidade padrão (DFT) que combina as técnicas de funções de Green de DFT e de não-equilíbrio tem sido amplamente utilizado na modelagem de dispositivos em nanoescala de não-equilíbrio. Isso fornece uma compreensão qualitativa dos experimentos, relacionando a condutância medida ao tunelamento de elétrons através dos orbitais "moleculares" dos dispositivos.
p Um experimento recente, Contudo, relataram fenômenos de transporte surpreendentes através de junções de silano que não podem ser compreendidos pelo método DFT padrão. A condutância para várias moléculas de silano conectadas com dois grupos ligantes diferentes (amina ou tiol) para eletrodos de metal de ouro (Au) ou prata (Ag) foram medidos. Foi descoberto que, ao usar o ligante de amina, o eletrodo Au gera uma condutância muito maior quando comparado a um eletrodo Ag. Com o ligante tiol, essa tendência se inverte e o eletrodo de Ag é significativamente mais condutor do que o eletrodo de Au. Em contraste, Cálculos baseados em DFT prevêem que o eletrodo Au é sempre mais condutor do que o eletrodo Ag, independentemente do tipo de linkers. Essa contradição entre resultados teóricos e experimentais apresenta à comunidade da nanociência computacional um desafio emocionante.
p Para enfrentar este desafio, o grupo de pesquisa liderado pelo Prof Zhang Chun do Departamento de Física e do Departamento de Química, Universidade Nacional de Singapura, estudou as propriedades teóricas de transporte de junções de silano com base na técnica DFT de estado estacionário que foi proposta pelo próprio Prof Zhang em 2015. O DFT de estado estacionário considera os efeitos de não-equilíbrio por completo, empregando estatísticas quânticas de não-equilíbrio. Eles descobriram que subjacente às intrigantes observações experimentais está um novo tipo de efeitos de não-equilíbrio (chamados de "tração de não-equilíbrio" em seu trabalho) que existem em junções de silano com ligantes tiol. Seus cálculos teóricos mostram que, quando a junção está perto do equilíbrio, o método DFT padrão é uma excelente aproximação das condições de estado estacionário. Contudo, em vieses baixos em torno da região de 0,2 volts, o efeito de "tração de não-equilíbrio" leva os silanos terminados por tiol para longe do equilíbrio, resultando assim na reversão dos valores de condutância observados em experimentos.
p O professor Zhang diz que "uma análise mais aprofundada sugere que esses efeitos de não-equilíbrio podem geralmente existir em dispositivos em nanoescala nos quais há canais condutores residindo principalmente no contato da fonte e localizados perto da janela de polarização. Essas descobertas ampliam significativamente nossa compreensão fundamental do transporte de elétrons no nanoescala. "
