La figura muestra la diferencia conceptual entre DFT en estado estacionario (utilizado por el equipo de investigación) y el método DFT estándar. En DFT de estado estacionario, el estado de transporte es funcional de dos densidades, la densidad de electrones total ρt y la densidad de electrones portadores de corriente ρn. Se puede considerar que la DFT estándar es "unidimensional", ya que el estado de transporte solo está determinado por ρt. El contorno de color bidimensional (2D) representa la energía del estado de transporte de estado estable Ess. La DFT de estado estacionario busca el estado de transporte más estable en el plano 2D (estado de energía mínima global) mientras que la DFT estándar realiza la búsqueda a lo largo del eje ρt (estado de energía mínima local). Cuando el sistema está cerca del equilibrio, ρn es pequeño y la ruta de búsqueda de la DFT de estado estable está cerca del eje ρt. Para tales casos, el método DFT estándar puede ser una buena aproximación. Crédito:Horizontes a nanoescala
Los científicos de NUS han predicho un nuevo tipo de efectos de desequilibrio que podrían existir generalmente en dispositivos electrónicos a nanoescala, y explicó con éxito un desconcertante experimento reciente utilizando los efectos.
Comprender los efectos del desequilibrio inducidos por sesgos sobre las propiedades de transporte de electrones de las uniones a nanoescala es el tema central de la nanociencia computacional. El método de primeros principios basado en la teoría funcional de densidad estándar (DFT) que combina DFT y las técnicas de funciones de Green de no equilibrio se ha utilizado ampliamente en el modelado de dispositivos a nanoescala de no equilibrio. Esto proporciona una comprensión cualitativa de los experimentos al relacionar la conductancia medida con el túnel de electrones a través de los orbitales "moleculares" de los dispositivos.
Un experimento reciente, sin embargo, reportaron fenómenos de transporte sorprendentes a través de uniones de silano que no pueden ser entendidos por el método DFT estándar. Se midió la conductancia de varias moléculas de silano conectadas con dos grupos enlazadores diferentes (amina o tiol) a electrodos metálicos de oro (Au) o plata (Ag). Se encontró que, cuando se usa el enlazador de amina, el electrodo de Au genera una conductancia mucho mayor en comparación con un electrodo de Ag. Con el enlazador de tiol, esta tendencia se invierte y el electrodo de Ag es significativamente más conductor que el electrodo de Au. A diferencia de, Los cálculos basados en DFT predicen que el electrodo de Au es siempre más conductor que el electrodo de Ag, independientemente del tipo de enlazadores. Esta contradicción entre resultados teóricos y experimentales presenta a la comunidad de la nanociencia computacional un desafío emocionante.
Para abordar este desafío, el grupo de investigación dirigido por el profesor Zhang Chun del Departamento de Física y el Departamento de Química, Universidad Nacional de Singapur, estudiaron las propiedades de transporte teóricas de las uniones de silano basándose en la técnica de DFT de estado estacionario que fue propuesta por el propio profesor Zhang en 2015. La DFT de estado estacionario considera los efectos de no equilibrio en su totalidad mediante el empleo de estadísticas cuánticas de no equilibrio. Descubrieron que detrás de las desconcertantes observaciones experimentales hay un tipo novedoso de efectos de desequilibrio (llamados "tracción de desequilibrio" en su trabajo) que existen en las uniones de silano que tienen ligadores de tiol. Sus cálculos teóricos muestran que, cuando la unión está cerca del equilibrio, el método DFT estándar es una excelente aproximación de las condiciones de estado estacionario. Sin embargo, en sesgos bajos alrededor de la región de 0,2 voltios, el efecto de "tracción del desequilibrio" aleja los silanos terminados en tiol del equilibrio, lo que resulta en la inversión de los valores de conductancia observados en los experimentos.
El profesor Zhang dice que "un análisis más detallado sugiere que estos efectos de desequilibrio generalmente podrían existir en dispositivos a nanoescala en los que hay canales conductores que residen principalmente en el contacto de la fuente y se encuentran cerca de la ventana de sesgo. Estos hallazgos amplían significativamente nuestra comprensión fundamental del transporte de electrones en el nanoescala ".
