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用稳态密度泛函理论模拟非平衡纳米级结

新加坡国立大学的科学家们预测了一种可能普遍存在于纳米级电子设备中的新型非平衡效应,并成功解释了最近使用这些效应进行的令人费解的实验。

了解偏置引起的非平衡对纳米级结的电子传输特性的影响是计算纳米科学的核心问题。基于标准密度泛函理论 (DFT) 的第一性原理方法结合了 DFT 和非平衡格林函数技术,已广泛用于模拟非平衡纳米级器件。这通过将测量的电导与电子穿过器件的“分子”轨道的隧穿联系起来,提供了对实验的定性理解。

然而,最近的一项实验报告了标准 DFT 方法无法理解的通过硅烷结的惊人传输现象。测量了通过两个不同的连接基团(胺或硫醇)连接到金 (Au) 或银 (Ag) 金属电极的各种硅烷分子的电导率。发现,当使用胺连接器时,与 Ag 电极相比,Au电极产生更高的电导。使用硫醇连接器,这种趋势逆转,Ag 电极的导电性明显高于 Au 电极。相比之下,基于 DFT 的计算预测,无论连接器的类型如何,Au 电极总是比 Ag 电极更导电。这种理论与实践之间的矛盾实验结果向计算纳米科学界提出了令人兴奋的挑战。

为应对这一挑战,由新加坡国立大学物理系和化学系张春教授领导的研究小组基于教授提出的稳态 DFT 技术研究了硅烷结的理论传输特性。张本人早在 2015 年。稳态 DFT 通过使用非平衡量子统计充分考虑了非平衡效应。他们发现,令人费解的实验观察背后是一种新型的非平衡效应(在他们的工作中称为“非平衡牵引”),存在于具有硫醇接头的硅烷连接中。他们的理论计算表明,当结接近平衡时,标准 DFT 方法是稳态条件的极好近似值。然而,

张教授说:“进一步的分析表明,这些非平衡效应通常存在于纳米级器件中,其中导电通道主要位于源极接触处并位于偏置窗口附近。这些发现显着拓宽了我们对电子传输的基本理解。纳米级。”

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