Technische Universität Wien
Electrochemical STM, Marcus theory, Interference effects
| P27272 | Elektrochemische Interferenz |
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| Supported by | Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung FWF | |
| Project manager | Robert Stadler
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| Address | Wiedner Hauptstrasse 8-10, 1040 Wien, Austria | |
| University / Research Institution | Institut für Theoretische Physik Technische Universität Wien |
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| Start of project |
November 1st 2014 |
End of project | October 31st 2017 |
| Keywords | Single molecule electronics, Density functional theory, Phase coherent tunnelling, Electrochemical STM, Marcus theory, Interference effects |
Single molecule electronics has become one of the most active research fields in nano-electronics, an area which aims at maintaining a continuous rise in performance of digital devices even once the lower threshold for miniaturisation faced by the semiconductor industry has been reached. For realising the potential of this field, two essential aims need to be met. First, it is necessary for device design to understand and to be able to model physical effects on the nanoscale such as quantum interference, where it has been proven theoretically and experimentally that Kirchhoffs laws, which determine the conductance of two classical wires connected in parallel, do not apply anymore if the wires are branches of molecules. Secondly, in order to be useful for any practical application, a device must operate at room temperature, where it has been recently achieved to demonstrate diode and transistor features in the electron transport through organic single molecules with redox active metal centers in an electrochemical environment. Branched molecules containing such a redox active center in each of their two branches have never been considered before, although they might open up intriguing new possibilities which depend in their details on the electron transport regime in which the current flow occurs. If it is phase coherent electron tunnelling, wave like interference effects might be induced due to an asymmetry brought about by the use of different metals in both branches such as Osmium and Ruthenium and this might provide more flexibility in the related device design. In the hopping regime on the other hand a local gating effect might be achieved, because the oxidation state of the metal in one branch is likely to have an influence on the electron transport through the other, thereby offering a route towards chemical sensors. Within this project both possibilities will be investigated with theoretical simulations on the basis of density functional theory on a small range of target molecules. These molecules have been already synthesized and will be characterized with an electrochemical scanning tunnelling microscope by the projects experimental partners at Imperial College London, where the interplay of theory and experiment is essential for arriving at an atomistic understanding of the electron transfer processes involved. For the theoretical work in Vienna the semiclassical Marcus theory will be employed for describing electron hopping and a nonequilibrium Greens function approach for the description of phase coherent tunnelling. This project follows up the research carried out in two other FWF funded projects, namely Interference effects in molecular electronics P20267 and Electrochemical charge transport P22548, where the main idea is to build a bridge between the two essential aims in single molecule electronics mentioned at the top of this page.
Elektronik auf der Basis von einzelnen Molekülen ist eines der aktivsten Forschungsgebiete der Nanoelektronik geworden, wobei das Ziel in der kontinuierlichen Leistungssteigerung digitaler Geräte liegt und sogar über das untere Limit für die Miniaturisierung in der Halbleitertechnologie hinausgegangen wird. Um das Potential, das in diesem Gebiet liegt, realisieren zu können ist zweierlei erforderlich. Zum ersten muss man für die Geräteentwicklung im Nanomaßstab die dort vorherrschenden physikalischen Effekte wie zum Beispiel Quanteninterferenz verstehen und modellieren können, wobei vor kurzem sowohl theoretisch als auch experimentell bewiesen werden konnte, daß die Kirchhoffschen Gesetze, die die Leitfähigkeit zweier parallel geschalteter Drähte bestimmen, ihre Gültigkeit verlieren, wenn diese Drähte Zweige eines Moleküls sind. Zweitens sollte ein Gerät auch bei Raumtemperatur betrieben werden können, um für praktische Anwendungen in Frage zu kommen, wobei kürzlich die Demonstration von Dioden und Transistoreigenschaften beim Elektronentransport durch einzelne organische Moleküle mit einem redoxaktiven Metallzentrum in einer elektrochemischen Zelle gelungen ist. Verzweigte Moleküle, die ein solches redoxaktives Zentrum in beiden Zweigen beinhalten wurden bisher noch nie in Erwägung gezogen, obwohl solche Strukturen faszinierende neue Möglichkeiten eröffnen könnten, deren Details davon abhängen, in welchem Transportregime der Stromfluss stattfindet. Ist er phasenkohärent, könnten wellenartige Interferenzeffekte durch eine Asymmetrie erzeugt werden, die durch die Verwendung zweier verschiedener Metalle wie Ru und Os in den zwei Zweigen entsteht und dies könnte zusätzliche Flexibilität in der darauf aufbauenden Geräteentwicklung bringen. Im Hoppingregime könnte ein lokaler Gateeffekt erzielt werden, da der Oxidationszustand des einen Metallatoms einen Einfluss auf den Elektronentransport durch das andere hat, was für die Entwicklung chemischer Sensoren verwendet werden könnte. In diesem Projekt werden beide Möglichkeiten in Form von theoretischen Simulationen auf Basis der Dichtefunktionaltheorie für ein paar ausgewählte Moleküle behandelt, die von experimentellen Partnern am Imperial College London bereits synthetisiert wurden und mit Hilfe eines elektrochemischen STM charakterisiert werden, wobei das Zusammenspiel von Theorie und Experiment für ein atomistisches Verständnis des Elektronentransferprozesses unerlässlich ist. Für die theoretische Arbeit wird für Hopping die semiklassische Marcus Theorie verwendet und für phasenkohärentes Tunneln ein Greensfunktionenansatz. Das Projekt ist ein Folgeprojekt von sowohl Intereferenzeffekte in der molekularen Elektronik P20267 als auch von Elektrochemischer Ladungstransport P22548, die beide vom FWF finanziert wurden, wobei eine Brücke zwischen den oben genannten Herausforderungen für die molekulare Elektronik gefunden werden soll.