Ви є тут

Дослідження електронного переносу крізь молекулярні ланцюжки при наявності сильної дисипації.

Автор: 
Зелінський Ярослав Романович
Тип роботи: 
Дис. канд. наук
Рік: 
2004
Артикул:
0404U004288
129 грн
Додати в кошик

Вміст

РОЗДІЛ 2
КІНЕТИЧНА МОДЕЛЬ ФОРМУВАННЯ СТРУМУ ЧЕРЕЗ КОРОТКИЙ МОЛЕКУЛЯРНИЙ ПРОВІД
Нещодавні досягнення у синтезі органічних молекулярних структур i побудові надмолекулярних нанокомпозицiй та стрімкий розвиток техніки експерименту з ними призвели до відкриття низки надзвичайних фізичних ефектів, деякі з них знайшли нові реалізації у діючих прототипах електронних елементів схем [82-84]. Молекулярні наноструктури вважають найперспективнішими базовими елементами для майбутньої електроніки, одним з прикладів таких наноструктур є молекулярний провід у ролі місткового медіатора для дистанційного електронного переносу (ЕП) як безпосередньо між наноелектродами, так і між донорним та акцепторним елементами [85-89]. Саме молекулярний провід представляє собою молекулярну наноструктуру, в якій квантові властивості переносу електрона проявляються у вигляді тунельного явища, яке керується структурними особливостями системи. Завдяки стрімкому розвитку молекулярної електроніки та покращанню сучасної експериментальної бази вдалося вимірювати та досліджувати мікроструми безпосередньо крізь окрему молекулу [90,91]. Це дало новий поштовх у розробці нових теоретичних моделей, які ставлять собі за мету пояснити, як провідність, так і вольт-амперні характеристики таких макроскопічних систем, як мікроелектрод - молекулярний ланцюжок - мікроелектрод (M-W-M). Було показано, що крім такого структурно-зумовленого керування електронними струмами крізь провід, можливе інше керування, обумовлене зовнішніми постійним та змінним полями [92-96]. У цих роботах проведено опис тунельних процесів крізь провід в умовах, коли або всі елементи молекулярного проводу формують єдину місткову структуру для переносу електрона (пряме пружне міжелектродне тунелювання), або центри на краях проводу мають здатність локалізовувати електрон у процесі його руху з одного електрода на інший (непружне міжелектродне тунелювання). Якщо рівні Фермі обох електродів знаходяться між ВЗМО та ННМО - (відповідно найвищі та найнижчі рівні об'єднаних молекулярних орбіталей) рівнями і якщо характерний час стрибкового процесу значно перевищує характерний час прямого електронного тунелювання , то міжелектродний струм розглядається як пружний тунельний процес. При цьому, якщо рівні Фермі не співпадають із жодним із рівнів ННМО, то спостерігається експоненційний спад провідності молекулярного ланцюжка із ростом його довжини. У випадку резонансу провідність носить осциляційний характер із ростом довжини молекулярного проводу.
Слід зазначити, що чисто пружне тунелювання можливе тільки у разі ігнорування внутрішньо електродними релаксаційними процесами на кожному електроді. У випадку зумовленого молекулярним проводом дистанційного тунелювання, місткові групи проводу забезпечують електрону формування міжелектродного електрон-електронного зв'язку шляхом суперобмінного механізму [89]. Згідно з припущенням, що ННМО - найнижчі рівні об'єднаних молекулярних орбіталей - лежать значно вище за енергією від електродних рівнів Фермі, такий міжелектродний зв'язок може розглядатися як слабкий порівняно з внутрішньоелектродним електрон-фононним зв'язком. Ця обставина фактично трансформує процес пружного тунелювання у квазіпружний випадок. У разі ж непружного міжелектродного тунелювання при значних струмах крізь молекулярний провід, що має фіксовану кількість центрів електронної локалізації, для забезпечення дистанційного тунельного струму важливо враховувати електрон-електронне відштовхування на центрах [95,96].
В даному розділі ми зосередимось на вивченні механізмів, пов'язаних із формуванням непружного струму крізь M-W-M системи в межах моделі, де має місце сильна релаксація в межах кожного центру проводу. Саме такі центри здатні захоплювати електрон, зводячи струм до квантових стрибків електрона між центрами його локалізації. Розроблена нами стрибкова модель базується на двох припущеннях. По-перше, вважається, що електронна взаємодія між двома центрами локалізації електрона є значно слабшую за електрон-коливальну взаємодію. Дана умова справджується для систем, у котрих центри електронної локалізації розділені містковою структурою. По-друге, електронно-транспортний процес відбувається на фоні сильного кулонівського відштовхування. В коротких проводах (25 - 30 A) кулонівське відштовхування між електронами, що переносяться, приводить до заборони одночасного перенесення більш ніж одного електрона, і саме воно є причиною нелінійної поведінки струму від прикладеної напруги (відмітимо той факт, що міжцентрова взаємодія не здатна компенсувати сильне кулонівське відштовхування між електронами). Основні результатити розділу опублікоквані в роботах [1,3].

2.1. Теоретична модель та основний гамільтоніан системи
Розглянемо молекулярниий ланцюжок, що складається із центрів електронної локалізації, розділених містковою структурою , який розміщений між двома металевими мікроелектродами та (рис.2.1). Кожен із центрів молекулярного проводу будемо характеризувати набором локальних станів , де позначатиме номер центру, що відповідає чисто електронному стану молекулярного ланцюжка, а номером коливального стану віднесенего до даного -го центру електронної локалізації. Зазначимо, що в адіабатичному наближенні кожен із набору станів молекулярного ланцюжка можна представити у вигляді добутку Борн-Оппенгеймирівської електронної хвильової функції і хвильової функції , що відповідає за рух ядер молекулярної системи і яку характеризуватимемо квантовими числами , тобто [97,98]. Будемо вважати, що взаємодія між будь-якими двома електронними станами молекулярної структури є слабкою і тому не відбувається формування розширених станів молекули. Слабке перекриття між хвильовими функціями двох сусідніх центрів електронної локалізації забезпечує індивідуальність кожного із центрів, що в свою чергу приводить до протікання неадіабатичного ЕП у проводі при накладанні зовнішньої різниці потенціалів до поверхні мікроелектродів [80,81]. Гамільтоніан системи мікроелектрод-молекулярни