Переходные токи включения и выключения в органических наноструктурах
Выявлен физический механизм возникновения больших токов включения и выключения в устройствах типа «электрод—молекула—электрод», проявляющих свойства молекулярного диода. Показано, что указанные токи могут заметно превышать стационарный ток в устройстве, если только контакт молекулы с электродами явл...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології |
|---|---|
| Datum: | 2011 |
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
2011
|
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/73209 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Переходные токи включения и выключения в органических наноструктурах / Э.Г. Петров, В.О. Леонов // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2011. — Т. 9, № 1. — С. 49-54. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-73209 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Петров, Э.Г. Леонов, В.О. 2015-01-06T14:43:23Z 2015-01-06T14:43:23Z 2011 Переходные токи включения и выключения в органических наноструктурах / Э.Г. Петров, В.О. Леонов // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2011. — Т. 9, № 1. — С. 49-54. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 1816-5230 PACS numbers: 34.70.+e, 72.10.Bg, 82.20.Ej, 82.30.Fi, 82.39.Jn, 85.35.Gv, 85.65.+h https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/73209 Выявлен физический механизм возникновения больших токов включения и выключения в устройствах типа «электрод—молекула—электрод», проявляющих свойства молекулярного диода. Показано, что указанные токи могут заметно превышать стационарный ток в устройстве, если только контакт молекулы с электродами является асимметричным и/или если в молекуле основную роль в электронной трансмиссии играют локализованные молекулярные орбитали. Виявлено фізичний механізм виникнення великих струмів вмикання та вимикання в пристроях типу «електрода—молекуля—електрода», що виявляють властивості молекулярної діоди. Показано, що зазначені струми можуть помітно перевищувати стаціонарний струм у пристрої, якщо лише контакт молекулі з електродами є асиметричним та/або якщо в молекулі головну роль в електронній трансмісії мають льокалізовані молекулярні орбіталі. Physical mechanism of formation of high switch-on and switch-off currents is revealed in the ‘electrode—molecule—electrode’ devices, which exhibit the molecular diode properties. As shown, such currents can noticeably exceed a steady state current in the device, if only the contact of a molecule with the electrodes is asymmetric one and/or if the localized molecular orbitals play a dominant role in an electron transmission through the molecule. ru Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Переходные токи включения и выключения в органических наноструктурах Switch-On and Switch-Off Transient Currents in Organic Nanostructures Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Переходные токи включения и выключения в органических наноструктурах |
| spellingShingle |
Переходные токи включения и выключения в органических наноструктурах Петров, Э.Г. Леонов, В.О. |
| title_short |
Переходные токи включения и выключения в органических наноструктурах |
| title_full |
Переходные токи включения и выключения в органических наноструктурах |
| title_fullStr |
Переходные токи включения и выключения в органических наноструктурах |
| title_full_unstemmed |
Переходные токи включения и выключения в органических наноструктурах |
| title_sort |
переходные токи включения и выключения в органических наноструктурах |
| author |
Петров, Э.Г. Леонов, В.О. |
| author_facet |
Петров, Э.Г. Леонов, В.О. |
| publishDate |
2011 |
| language |
Russian |
| container_title |
Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології |
| publisher |
Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Switch-On and Switch-Off Transient Currents in Organic Nanostructures |
| description |
Выявлен физический механизм возникновения больших токов включения и выключения в устройствах типа «электрод—молекула—электрод», проявляющих свойства молекулярного диода. Показано, что указанные токи могут заметно превышать стационарный ток в устройстве, если только контакт молекулы с электродами является асимметричным и/или если в молекуле основную роль в электронной трансмиссии играют локализованные молекулярные орбитали.
Виявлено фізичний механізм виникнення великих струмів вмикання та вимикання в пристроях типу «електрода—молекуля—електрода», що виявляють властивості молекулярної діоди. Показано, що зазначені струми можуть помітно перевищувати стаціонарний струм у пристрої, якщо лише контакт молекулі з електродами є асиметричним та/або якщо в молекулі головну роль в електронній трансмісії мають льокалізовані молекулярні орбіталі.
Physical mechanism of formation of high switch-on and switch-off currents is revealed in the ‘electrode—molecule—electrode’ devices, which exhibit the molecular diode properties. As shown, such currents can noticeably exceed a steady state current in the device, if only the contact of a molecule with the electrodes is asymmetric one and/or if the localized molecular orbitals play a dominant role in an electron transmission through the molecule.
|
| issn |
1816-5230 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/73209 |
| citation_txt |
Переходные токи включения и выключения в органических наноструктурах / Э.Г. Петров, В.О. Леонов // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2011. — Т. 9, № 1. — С. 49-54. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT petrovég perehodnyetokivklûčeniâivyklûčeniâvorganičeskihnanostrukturah AT leonovvo perehodnyetokivklûčeniâivyklûčeniâvorganičeskihnanostrukturah AT petrovég switchonandswitchofftransientcurrentsinorganicnanostructures AT leonovvo switchonandswitchofftransientcurrentsinorganicnanostructures |
| first_indexed |
2025-11-26T23:29:08Z |
| last_indexed |
2025-11-26T23:29:08Z |
| _version_ |
1850780734895161344 |
| fulltext |
49
PACS numbers: 34.70.+e, 72.10.Bg,82.20.Ej,82.30.Fi,82.39.Jn,85.35.Gv, 85.65.+h
Переходные токи включения и выключения в органических
наноструктурах
Э. Г. Петров, В. О. Леонов
Институт теоретической физики им. Н. Н. Боголюбова НАН Украины,
ул. Метрологическая, 14б,
03680, ГСП, Киев, Украина
Выявлен физический механизм возникновения больших токов включе-
ния и выключения в устройствах типа «электрод—молекула—электрод»,
проявляющих свойства молекулярного диода. Показано, что указанные
токи могут заметно превышать стационарный ток в устройстве, если
только контакт молекулы с электродами является асимметричным
и/или если в молекуле основную роль в электронной трансмиссии иг-
рают локализованные молекулярные орбитали.
Виявлено фізичний механізм виникнення великих струмів вмикання та
вимикання в пристроях типу «електрода—молекуля—електрода», що
виявляють властивості молекулярної діоди. Показано, що зазначені
струми можуть помітно перевищувати стаціонарний струм у пристрої,
якщо лише контакт молекулі з електродами є асиметричним та/або
якщо в молекулі головну роль в електронній трансмісії мають льокалі-
зовані молекулярні орбіталі.
Physical mechanism of formation of high switch-on and switch-off cur-
rents is revealed in the ‘electrode—molecule—electrode’ devices, which ex-
hibit the molecular diode properties. As shown, such currents can noticea-
bly exceed a steady state current in the device, if only the contact of a
molecule with the electrodes is asymmetric one and/or if the localized mo-
lecular orbitals play a dominant role in an electron transmission through
the molecule.
Ключевые слова: туннелирование, электронные прыжки, молекуляр-
ный диод.
(Получено 18 октября 2010 г.)
Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies
2011, т. 9, № 1, сс. 49—54
© 2011 ІМФ (Інститут металофізики
ім. Г. В. Курдюмова НАН України)
Надруковано в Україні.
Фотокопіювання дозволено
тільки відповідно до ліцензії
50 Э. Г. ПЕТРОВ, В. О. ЛЕОНОВ
1. ВВЕДЕНИЕ
В начале 80-х годов прошлого столетия возникла идея использовать
отдельные молекулы и молекулярные структуры в качестве базовых
элементов электроники [1]. В последнее десятилетие выполнено
большое число экспериментов по исследованию проводящих свойств
молекул, вставленных между электродами. К настоящему времени
экспериментально показано, что молекулы с асимметричной связью
по отношению к электродам обладают диодными свойствами и обна-
руживают отрицательное дифференциальное сопротивление [2—4].
Несмотря на заметный успех в понимании механизмов проводимо-
сти отдельных молекул, многие вопросы, связанные с выяснением
условий, при которых отдельные молекулы и молекулярные провода
исполняют роль регулятора зарядового (электронного и дырочного)
переноса между микроэлектродами, остаются невыясненными. Это
обусловлено тем, что основные экспериментальные и теоретические
наработки касались изучения стационарных вольт-амперных харак-
теристик систем типа «электрод L—молекула—электрод R» (LMR-
система). Вместе с тем в реальных условиях функционирования мо-
лекул как базовых элементов электроники должны происходить пе-
реключения режимов трансмиссии электронов через молекулу, свя-
занных с быстрым изменением разности электрических потенциалов
V. Как следствие, в LMR-системе должны возникнуть переходные
токи. Предварительные теоретические оценки, полученные в рамках
простейшей модели электронной трансмиссии через изолированный
уровень молекулы, показали [5, 6], что переходные токи могут на
порядки величины превосходить стационарные токи в той же моле-
куле. В настоящей работе мы приводим результаты исследования
переходных токов в LMR-системе, где молекула контактирует с
электродами через активные терминальные группы.
2. МОДЕЛЬ И РЕЗУЛЬТАТЫ
На рисунке 1 представлена модель рассматриваемой LMR-системы,
в которой связь терминальных групп 1 и 2 с левым и правым элек-
тродами характеризуется параметрами ΓL и ΓR уширения уровней
энергии электрона E1 и E2 на группах 1 и 2, а сами группы связаны
между собой взаимодействием β. В большинстве реальных систем
выполняется условие ( ) ( )2 22 2 24 L RD E= Δ + β >> Γ + Γ , где 1 2E E EΔ = − .
Поэтому взаимодействие β приводит к формированию коллективи-
зированных уровней энергии молекулы ( )1 2
1
2IE E E D= + − и
( )1 2
1
2IIE E E D= + + . Трансмиссия электрона идёт с участием имен-
но этих уровней. На рисунке 2 показана схема расположения уров-
ПЕРЕХОДНЫЕ ТОКИ ВКЛЮЧЕНИЯ И ВЫКЛЮЧЕНИЯ В НАНОСТРУКТУРАХ 51
ней энергии электрона, когда электрон с энергией LkE на левом
электроде попадает на уровни молекулы с энергиями EI или EII, а
потом оказывается на правом электроде с энергией ERq. Эффектив-
ность трансмиссии электрона от одного электрода к другому опре-
деляется соответствующими трансмиссионными щелями
rj j rE EΔ = − μ , где r = L, R и j = I, II.
Химический потенциал r-го электрода μr задаёт сдвиг уровня Фер-
ми электрода. В соответствии с теорией трансмиссии электрона [5—7],
зависящий от времени ток через r-й электрод
( ) ( )( ) ( ) ( )hop dir
r r rI t I t I t= +
состоит из прыжковой и прямой (туннельной) компонент. Обе ком-
поненты тока включают перенос электрона вдоль ν-го трансмисси-
онного канала, который связан с зарядовым состоянием молекулы.
Когда энергетические щели ΔErj положительны, трансмиссия элек-
тронов через молекулу носит нерезонансный характер, и потому
прыжковый механизм переноса электрона обусловлен температур-
ной активацией. Туннельная компонента тока при этом может даже
превосходить прыжковую компоненту тока. Когда одна или более
Рис. 1. Молекула контактирует с электродами через свои терминальные
группы 1 и 2, связанные между собой взаимодействием β.
Рис. 2. Схема положения энергетических уровней заряженной молеку-
лы относительно уровней Ферми электродов.
52 Э. Г. ПЕТРОВ, В. О. ЛЕОНОВ
энергетическая щель становится отрицательна, то один или более
уровней молекулы (в нашем случае не более двух уровней) находят-
ся ниже уровня Ферми левого (при V > 0) или правого (при V < 0)
электродов.
Величина токов в LMR-системе заметно возрастает по сравнению с
нерезонансным случаем, однако физика формирования токов вклю-
чения и выключения остаётся той же самой. Так, при скачкообраз-
ном изменении разности потенциалов от V = 0 до V = Vf > 0 поток
электронов, приходящих на молекулу от левого электрода, превы-
шает поток электронов, приходящих от молекулы на правый элек-
трод и, следовательно, IL(t) >> IR(t). Лишь на временах t >> τtr, где τtr
– характерное время установления тока, в LMR-системе установит-
ся стационарный ток Isteady, соответствующий разности потенциалов
Vf. Теория показывает, что при быстром переключении Vi на Vf тун-
нельная составляющая тока включения, I(dir)(t) = IL
(dir)(t) = IR
(dir)(t),
связанная с прямой межэлектродной трансмиссией электронов,
практически не отличается от её стационарного значения. Однако
прыжковые компоненты тока, IL
(hop)(t) и IR
(hop)(t), на временах t << trτ
заметно отличаются друг от друга.
При резонансном перескоке электронов от левого электрода на
молекулу максимальные значения прыжковых компонент токов
включения определяются выражениями IL
(hop)(0) = 2πI0ΓL и
IR
(hop)(0) = 2πI0ΓR, тогда как их стационарные значения совпадают и
равны Isteady = 2πI0ΓLΓR/(2ΓL + ΓR), где ΓL и ΓR есть параметры связи
молекулы с левым и правым электродом соответственно. Отсюда
Рис. 3. Токи включения в молекулярном диоде при V = Vf > 0. Контакт-
ный ток ( ) (0)hop
II через левый электрод заметно превышает стационар-
ный ток steadyI .
ПЕРЕХОДНЫЕ ТОКИ ВКЛЮЧЕНИЯ И ВЫКЛЮЧЕНИЯ В НАНОСТРУКТУРАХ 53
видно, что при ΓL >> ΓR максимальный ток включения превышает
стационарный ток через молекулу в 2ΓL/ΓR раза, т.е. может быть
сильнее на несколько порядков величины (на рис. 3 показан случай
ΓL/ΓR = 10). Отметим, что вследствие большого различия между
трансмиссионными параметрами ΓL и ΓR туннельная компонента
тока является несущественной в формировании токов включения.
Эти токи целиком определяются зарядкой молекулы за счёт прыж-
кового механизма переноса электронов. В противоположность то-
кам включения токи выключения формируются при нулевой раз-
ности потенциалов на электродах. Поэтому туннельная компонента
тока включения отсутствует принципиально. Сами же токи вы-
ключения связаны с разрядкой молекулы, когда избыточный заряд
на молекуле перескакивает на прилегающие электроды, причём,
токи выключения имеют противоположные знаки. При этом ток
стекания выше на тот электрод, который более тесно контактирует
с молекулой (см. пример на рис. 4).
3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Выполненное исследование показало, что учёт поведения токов
включения и выключения в молекулярных системах становится
важным при конструировании устройств молекулярной электро-
ники, где отдельные молекулы, молекулярные провода и молеку-
лярные наноструктурные соединения различной архитектуры мо-
гут использоваться в качестве базовых элементов типа диодов,
транзисторов, элементов памяти, усилителей, трансмиттеров и др.
Рис. 4. Токи выключения в молекулярном диоде. Контактный ток
( ) (0)hop
II
через левый электрод заметно превышает подобный ток
( ) (0)hop
RI через пра-
вый электрод.
54 Э. Г. ПЕТРОВ, В. О. ЛЕОНОВ
ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. A. Aviram and M. Ratner, Chem. Phys. Lett., 29: 277 (1974).
2. R. M. Metzger, Acc. Chem. Res., 32: 950 (1999).
3. J. Chen and M. A. Reed, Chem. Phys., 281: 127 (2002).
4. G. Cuniberti, G. F. Fagas, and K. Richter, Introducing Molecular Electron-
ics (Heidelberg: Springer: 2007).
5. E. G. Petrov and M. V. Koval, Phys. Letters A, 372: 5651 (2008).
6. E. G. Petrov, Mol. Cryst. Liq. Cryst., 496: 1 (2008).
7. Н. В. Коваль, Ю. А. Черний, Э. Г. Петров, Наносистеми, наноматеріали,
нанотехнології, 6, вип. 3: 755 (2008).
|