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    Teoría funcional de la densidad en estado estacionario

    La Figura muestra la comparación entre SS-DFT y los métodos DFT ampliamente utilizados para un dispositivo molecular que consta de dos electrodos de nanotubos de carbono (CNT) y una molécula de benceno entre:(a) curvas I-V calculadas; (b) la diferencia de energía calculada restando la energía DFT de la SS-DFT. La figura muestra que SS-DFT predice el estado de transporte energéticamente más estable con corrientes eléctricas más bajas en comparación con el método basado en DFT. Crédito:Zhang Chun

    Los científicos computacionales de NUS han desarrollado una nueva versión de la teoría funcional de la densidad (DFT) para estudiar dispositivos a nanoescala.

    Los dispositivos electrónicos son cada vez más pequeños e incorporan una mayor funcionalidad. Esto es posible gracias a la reducción del tamaño de los componentes electrónicos. Cuando su tamaño disminuye, las propiedades de estos dispositivos moleculares se vuelven mucho más sensibles a su entorno externo. Se requieren métodos computacionales para simular y predecir las propiedades de dispositivos tan pequeños. Uno de ellos es la teoría funcional de la densidad. Estos métodos se desarrollan a partir de primeros principios, que comprende conocimientos básicos y fundamentales que ya conocemos. Los científicos computacionales de NUS han refinado la teoría para tener en cuenta los efectos de no equilibrio presentes durante el funcionamiento de los dispositivos (por ejemplo, cuando una batería está conectada a un sistema cuántico). Esto conduce a una predicción más precisa y precisa.

    El profesor ZHANG Chun y su Ph.D. estudiante, LIU Shuanglong junto con el investigador, Dr. Argo NURBAWONO, del Departamento de Física, NUS ha desarrollado una versión más general de la popular y ampliamente utilizada teoría funcional de la densidad (DFT) que se puede aplicar a situaciones de estado estacionario sin equilibrio. Introdujeron un grado adicional de libertad, conocida como densidad de electrones en no equilibrio, en el modelado de primeros principios. Esto tiene en cuenta los efectos de no equilibrio inducidos por el sesgo cuando un dispositivo molecular opera bajo un sesgo finito. Esta nueva versión de la teoría se conoce como DFT de estado estacionario (SS-DFT).

    Los investigadores han demostrado que, en principio, la DFT ampliamente utilizada no es correcta en un escenario de estado estacionario sin equilibrio. En tal situación, dos parámetros diferentes, la densidad total de electrones y la densidad de los electrones portadores de corriente, son necesarios para determinar las propiedades del correspondiente sistema de desequilibrio. La nueva teoría se ha implementado en el paquete computacional de la Iniciativa Española para Simulaciones Electrónicas con Miles de Átomos (SIESTA) para estudiar las propiedades electrónicas / de transporte de varios dispositivos a escala molecular.

    El SS-DFT proporciona una herramienta teórica confiable para la comprensión y el diseño futuro de dispositivos novedosos a escala molecular con funcionalidad mejorada. El paquete computacional basado en SS-DFT ahora está siendo utilizado por muchos grupos de investigación en todo el mundo. Se utiliza para explicar intrigantes fenómenos de transporte observados experimentalmente a nivel molecular y para diseñar nuevos tipos de dispositivos moleculares.

    Los investigadores planean expandir la aplicabilidad de la teoría al incluir otros efectos físicos, tales como interacciones electrón-fonón y acoplamiento espín-orbital. También tienen la intención de mejorar la eficiencia computacional para que pueda usarse para modelar sistemas grandes alrededor de 1, 000 átomos.

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