La figure montre la différence conceptuelle entre la DFT en régime permanent (utilisée par l'équipe de recherche) et la méthode DFT standard. En DFT en régime permanent, l'état de transport est une fonctionnelle à deux densités, la densité électronique totale t et la densité électronique de transport de courant ρn. La DFT standard peut être considérée comme « unidimensionnelle » car l'état de transport n'est déterminé que par ρt. Le contour de couleur bidimensionnel (2D) représente l'énergie de l'état de transport en régime permanent Ess. La DFT à l'état stable recherche l'état de transport le plus stable dans le plan 2D (état d'énergie minimale globale) tandis que la DFT standard effectue la recherche le long de l'axe ρt (état d'énergie minimale locale). Lorsque le système est proche de l'équilibre, n est petit et le chemin de recherche de la DFT en régime permanent est proche de l'axe ρt. Pour de tels cas, la méthode DFT standard peut être une bonne approximation. Crédit :Horizons à l'échelle nanométrique
Les scientifiques du NUS ont prédit un nouveau type d'effets hors d'équilibre qui pourraient généralement exister dans les dispositifs électroniques à l'échelle nanométrique, et a expliqué avec succès une récente expérience déroutante utilisant les effets.
La compréhension des effets de déséquilibre induits par le biais sur les propriétés de transport d'électrons des jonctions nanométriques est la question centrale en nanoscience computationnelle. La méthode des premiers principes basée sur la théorie fonctionnelle de la densité standard (DFT) qui combine les techniques de la DFT et des fonctions de Green hors d'équilibre a été largement utilisée dans la modélisation de dispositifs nanométriques hors d'équilibre. Cela fournit une compréhension qualitative des expériences en reliant la conductance mesurée à l'effet tunnel des électrons à travers les orbitales "moléculaires" des dispositifs.
Une expérience récente, cependant, ont rapporté des phénomènes de transport surprenants à travers des jonctions de silane qui ne peuvent pas être compris par la méthode DFT standard. La conductance de diverses molécules de silane connectées avec deux groupes de liaison différents (amine ou thiol) à des électrodes métalliques en or (Au) ou en argent (Ag) a été mesurée. Il s'est avéré que, lors de l'utilisation du lieur amine, l'électrode Au génère une conductance beaucoup plus élevée par rapport à une électrode Ag. Avec le linker thiol, cette tendance s'inverse et l'électrode Ag est nettement plus conductrice que l'électrode Au. En revanche, Les calculs basés sur DFT prédisent que l'électrode Au est toujours plus conductrice que l'électrode Ag quel que soit le type de lieurs. Cette contradiction entre les résultats théoriques et expérimentaux présente à la communauté des nanosciences computationnelles un défi passionnant.
Pour relever ce défi, le groupe de recherche dirigé par le professeur Zhang Chun du département de physique et du département de chimie, Université nationale de Singapour, a étudié les propriétés de transport théoriques des jonctions de silane en s'appuyant sur la technique DFT à l'état d'équilibre proposée par le professeur Zhang lui-même en 2015. La DFT à l'état d'équilibre considère intégralement les effets de non-équilibre en utilisant des statistiques quantiques de non-équilibre. Ils ont découvert qu'à la base des observations expérimentales déroutantes se trouve un nouveau type d'effets hors d'équilibre (appelés « tirage hors d'équilibre » dans leur travail) qui existent dans les jonctions silane ayant des lieurs thiol. Leurs calculs théoriques montrent que, lorsque la jonction est proche de l'équilibre, la méthode DFT standard est une excellente approximation des conditions de régime permanent. Cependant, à de faibles polarisations autour de la région de 0,2 volts, l'effet « tirage hors d'équilibre » éloigne les silanes à terminaison thiol de l'équilibre, entraînant ainsi l'inversion des valeurs de conductance observées dans les expériences.
Selon le professeur Zhang, "une analyse plus approfondie suggère que ces effets de non-équilibre pourraient généralement exister dans des dispositifs à l'échelle nanométrique dans lesquels il existe des canaux conducteurs résidant principalement au contact de la source et situés à proximité de la fenêtre de polarisation. Ces résultats élargissent considérablement notre compréhension fondamentale du transport d'électrons au niveau de la à l'échelle nanométrique."
