Universität Wien
Charge transfer, Density functional theory, Interference effects
| P20267 | Interference effects in molecular electronics |
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| Supported by | Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung FWF | |
| Project manager | Robert Stadler
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| Address | Sensengasse 8/20, 1090 Wien, Austria | |
| University / Research Institution | Institut für Physikalische Chemie Universität Wien |
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| Start of project |
March 1st 2008 |
End of project | February 28th 2011 |
| Keywords | Electron transport, Fermi level alignment, Molecular electronics, Charge transfer, Density functional theory, Interference effects |
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| Final report | Link to FWF page | |
| Recent feature in public media | Molekulare Brücken bauen | |
Molecular electronics is a promising field for nano-electronics. As found in the recent scientific work of the applicant, traditional schemes to build up computer architectures from logic gates and memories as used in semiconductor industry face fundamental difficulties on the scale of single molecules. This is partly due to quantum interference effects, which occur on the nano-scale. As a consequence new architectural concepts are needed, which make use of these inteference effects rather than try to bypass them. Objective I of the proposal addresses key issues of these interference effects. Most importantly, the work on a more realistic description of the electrode/molecule/electrode nano-junction as a whole (as compared to earlier simple models pursued by the applicant), has to be extended on the basis of density functional theory simulations. Here the geometrical and chemical details of the connection between nitro-benzene and the Au surface will be explored. In a next step, the applicant will move to a larger system and the substitution of anthracene with multiple nitro groups will be addressed. Objective II of the proposal is aimed at the question of the alignment of molecular orbitals with the metal electrodes Fermi level. The outcome of this alignment has a crucial effect on the zero bias conductance of the junction (varying it by at least an order of magnitude), where the major source determining it is equilibrium charge transfer between the molecule and the electrodes. The research proposed in the current application is concerned with the question how far it is possible to group different classes of molecules with regard to their charge transfer characteristics. In a first step this would mean the comparison of molecules with pyridil anchor groups focusing on benzene and anthracene. In a second step the question would be addressed whether the substitution of hydrogen atoms on the aromatic rings by nitro groups results in a changed energetic positions of their MOs. These electrostatic considerations of the level alignment in objective II are also complimentary to the interference scheme in objective I. In a simplified picture, the interference or hybridisation effects would determine the overall shape of the transmission function, whereas its energetic positioning is governed by charge transfer, where the interplay of both results in the final conductance of the junction.
Molekulare Elektronik ist ein vielversprechendes Gebiet der Nanoelektronik. Der Antragsteller hat in seiner wissenschaftlichen Arbeit zeigen koennen, dass die traditionellen Wege des Designs von Computer-Architekturen für elektronische Schaltkreise wie sie in der Halbleiter-Industrie verwendet werden auf den Maßstab einzelner Moleküle umgesetzt, fundamentale Probleme aufwerfen. Der Grund dafür sind hauptsächlich Quanteninterferenzeffekte, die im Nanomaßstab auftreten. Deshalb werden neue Designkonzepte benötigt, die diese Interferenzeffekte nützen anstatt zu versuchen sie zu umgehen. Das erste Ziel in diesem beantragten Projekt ist es, Kernfragen dieser Interferenzeffekte zu behandeln. Vor allem geht es darum, die Arbeit auf eine realistischere Beschreibung des Elektrode/Molekül/Elektrode Nanosystems als ganzes (im Gegensatz zur früheren einfachen Modellbildung des Antragsstellers) auszudehnen und dafür Rechnungen auf der Basis der Dichtefunktionaltheorie zu verwenden. Hierbei werden geometrische und chemische Details der Verbindung zwischen Nitro-Benzol und einer Gold-Oberfläche behandelt. Die zweite Zielsetzung des Projekts addressiert die Frage, welche energetische Position die Molekülorbitale relativ zur Fermi-Energie des Metalls einnehmen. Das Resultat dieser Positionierung ist entscheidend fuer die Leitfähigkeit der molekularen Brücke unter sehr geringer Spannung und kann diese um eine Größenordnung variieren. Die Positionierung hängt vor allem vom Gleichgewichtsladungstransport zwischen Molekül und Elektrode ab. In diesem Projekt soll untersucht werden, inwieweit sich verschiedene Molekülklassen bezüglich dieses Ladungstransports charakterisieren lassen. In einem ersten Schritt sollen Moleküle mit Pyridil Ankergruppen verglichen werden, vor allem Benzol und Anthrazen mit Poly-Acetylen Ketten. In einem zweiten Schritt soll behandelt werden, welchen Einfluß die Substitution des Aromaten mit Nitro-Gruppen auf die energetische Orbitalpositionierung hat. Dieser hauptsächlich elektrostatische Effekt der zweiten Zielsetzung ergä nzt die Arbeit an Interferenzeffekten des ersten Ziels. In einem vereinfachten Bild kann man sagen, daß Interferenzen oder Hybridisierungseffekte die Form der Transmissionsfunktion bestimmen und Gleichgewichtsladungstransport deren energetische Positionierung, Beides zusammen definiert die Leitfähigkeit der molekularen Brücke.