La figura mostra la differenza concettuale tra DFT allo stato stazionario (utilizzato dal gruppo di ricerca) e il metodo DFT standard. In DFT allo stato stazionario, lo stato di trasporto è un funzionale di due densità, la densità elettronica totale t e la densità elettronica percorso da corrente ρn. Il DFT standard può essere considerato "unidimensionale" poiché lo stato di trasporto è determinato solo da ρt. Il contorno di colore bidimensionale (2D) rappresenta l'energia dello stato di trasporto in stato stazionario Ess. La DFT allo stato stazionario ricerca lo stato di trasporto più stabile nel piano 2D (stato di energia minima globale) mentre la DFT standard esegue la ricerca lungo l'asse ρt (stato di energia minima locale). Quando il sistema è vicino all'equilibrio, n è piccolo e il percorso di ricerca della DFT allo stato stazionario è vicino all'asse ρt. Per tali casi, il metodo DFT standard può essere una buona approssimazione. Credito:Nanoscale Horizons
Gli scienziati del NUS hanno previsto un nuovo tipo di effetti di non equilibrio che potrebbero generalmente esistere nei dispositivi elettronici su scala nanometrica, e ha spiegato con successo un recente esperimento sconcertante utilizzando gli effetti.
Comprendere gli effetti di non equilibrio indotti da bias sulle proprietà di trasporto degli elettroni delle giunzioni su nanoscala è il problema centrale della nanoscienza computazionale. Il metodo dei primi principi basato sulla teoria del funzionale della densità standard (DFT) che combina DFT e le tecniche delle funzioni di Green di non equilibrio è stato ampiamente utilizzato nella modellazione di dispositivi su nanoscala di non equilibrio. Ciò fornisce una comprensione qualitativa degli esperimenti mettendo in relazione la conduttanza misurata con il tunneling degli elettroni attraverso gli orbitali "molecolari" dei dispositivi.
Un recente esperimento, però, hanno riportato sorprendenti fenomeni di trasporto attraverso giunzioni silaniche non comprensibili con il metodo DFT standard. È stata misurata la conduttanza per varie molecole di silano collegate con due diversi gruppi di collegamento (ammina o tiolo) a elettrodi metallici d'oro (Au) o d'argento (Ag). E 'stato trovato che, quando si utilizza il linker amminico, l'elettrodo Au genera una conduttanza molto più elevata rispetto a un elettrodo Ag. Con il linker tiolico, questa tendenza si inverte e l'elettrodo Ag è significativamente più conduttivo rispetto all'elettrodo Au. In contrasto, I calcoli basati su DFT prevedono che l'elettrodo Au sia sempre più conduttivo dell'elettrodo Ag indipendentemente dal tipo di linker. Questa contraddizione tra risultati teorici e sperimentali presenta alla comunità della nanoscienza computazionale una sfida entusiasmante.
Per affrontare questa sfida, il gruppo di ricerca guidato dal Prof Zhang Chun del Dipartimento di Fisica e del Dipartimento di Chimica, Università Nazionale di Singapore, ha studiato le proprietà teoriche di trasporto delle giunzioni silaniche basandosi sulla tecnica DFT allo stato stazionario proposta dallo stesso professor Zhang nel 2015. La DFT allo stato stazionario considera gli effetti di non equilibrio per intero impiegando statistiche quantistiche di non equilibrio. Hanno scoperto che alla base delle sconcertanti osservazioni sperimentali c'è un nuovo tipo di effetti di non equilibrio (denominati "tiro di non equilibrio" nel loro lavoro) che esistono nelle giunzioni silaniche con legami tiolici. I loro calcoli teorici mostrano che, quando la giunzione è vicina all'equilibrio, il metodo DFT standard è un'eccellente approssimazione delle condizioni di stato stazionario. Però, a bassi bias intorno alla regione di 0,2 volt, l'effetto "non-equilibrium pull" spinge i silani tiolici terminati lontano dall'equilibrio, determinando così l'inversione dei valori di conduttanza osservati negli esperimenti.
Il professor Zhang afferma che "ulteriori analisi suggeriscono che questi effetti di non equilibrio potrebbero generalmente esistere in dispositivi su scala nanometrica in cui ci sono canali conduttori che risiedono principalmente al contatto con la sorgente e situati vicino alla finestra di polarizzazione. Questi risultati ampliano significativamente la nostra comprensione fondamentale del trasporto di elettroni al nanoscala."
