NUS computationele wetenschappers hebben een nieuwe versie van de dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) ontwikkeld om apparaten op nanoschaal te bestuderen.

Elektronische apparaten worden kleiner en bevatten meer functionaliteit. Dit wordt mogelijk gemaakt door de grootte van de elektronische componenten te verkleinen. Wanneer hun omvang afneemt, de eigenschappen van deze moleculaire apparaten worden veel gevoeliger voor hun externe omgeving. Er zijn rekenmethoden nodig om de eigenschappen van dergelijke kleine apparaten te simuleren en te voorspellen. Een daarvan is de dichtheidsfunctionaaltheorie. Deze methoden zijn ontwikkeld vanuit de eerste principes, bestaande uit basis- en fundamentele kennis die we al kennen. NUS computationele wetenschappers hebben de theorie verfijnd om rekening te houden met niet-evenwichtseffecten die aanwezig zijn tijdens de werking van de apparaten (bijvoorbeeld wanneer een batterij is aangesloten op een kwantumsysteem). Dit leidt tot een meer accurate en nauwkeurige voorspelling.

Prof ZHANG Chun en zijn Ph.D. student, LIU Shuanglong samen met research fellow, Dr. Argo NURBAWONO, van het departement Natuurkunde, NUS heeft een meer algemene versie van de populaire en veelgebruikte dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) ontwikkeld die kan worden toegepast op niet-evenwichtssituaties in stabiele toestand. Ze introduceerden een extra vrijheidsgraad, bekend als de niet-evenwichtselektronendichtheid, in de eerste-principes modellering. Dit houdt rekening met de bias-geïnduceerde niet-evenwichtseffecten wanneer een moleculair apparaat onder een eindige bias werkt. Deze nieuwe versie van de theorie staat bekend als de steady-state DFT (SS-DFT).

De onderzoekers hebben aangetoond dat de veelgebruikte DFT in principe niet correct is in een steady-state niet-evenwichtsscenario. In zo een situatie, twee verschillende parameters, de totale elektronendichtheid en de dichtheid van stroomvoerende elektronen, zijn nodig om de eigenschappen van het overeenkomstige niet-evenwichtssysteem te bepalen. De nieuwe theorie is geïmplementeerd in het rekenpakket van het Spaanse Initiatief voor Elektronische Simulaties met Duizenden Atomen (SIESTA) om de elektronische/transporteigenschappen van verschillende apparaten op moleculaire schaal te bestuderen.

De SS-DFT biedt een betrouwbaar theoretisch hulpmiddel voor het begrijpen en toekomstig ontwerpen van nieuwe apparaten op moleculaire schaal met verbeterde functionaliteit. Het op SS-DFT gebaseerde computerpakket wordt nu door veel onderzoeksgroepen over de hele wereld gebruikt. Het wordt gebruikt voor het verklaren van intrigerende transportverschijnselen die experimenteel op moleculair niveau zijn waargenomen en voor het ontwerpen van nieuwe soorten moleculaire apparaten.

De onderzoekers zijn van plan de toepasbaarheid van de theorie uit te breiden door andere fysieke effecten op te nemen, zoals elektron-fonon-interacties en spin-orbitale koppeling. Ze zijn ook van plan de rekenefficiëntie te verbeteren, zodat deze kan worden gebruikt om grote systemen rond 1 te modelleren. 000 atomen.