doctoralThesis
Formalismo quaterniônico aplicado ao transporte balístico e de cotunelamento em moléculas orgânicas
Autor
CABRERA TINOCO, Hugo Andrés
Institución
Resumen
A eletronica molecular, que aparece como uma alternativa promissora a tecnologia de semicondutores inorganicos, baseia se no uso de moleculas organicas como elementosprimarios dos circuitos eletronicos. Do ponto de vista cientifico, faz se necessario primeiramente entender os mecanismos responsaveis pelo transporte de carga atraves de uma única molecula posicionada entre dois eletrodos. O conhecimento atual nos permite classificar dois tipos de mecanismos de transporte: processos coerentes (ou balisticos) e incoerentes (ou transporte nao balistico). No entanto, como recentemente relatado na literatura, existe tambem a possibilidade desses dois mecanismos de transporte coexistirem. Nesse regime intermediario, os formalismos existentes para a descricao do transporte balistico e não balistico tornam-se inadequados para a descricao correta do problema. No presente rabalho, nossa proposta e utilizar a algebra dos quaternions para desenvolver um formalismo que permita determinar de forma separada as contribuicoes dos mecanismos balisticos e nao balisticos. Nesse tratamento, o transporte envolveria apenas a modificacao elastica da estrutura eletronica dos estados de carga envolvidos da molecula, desprezando quaisquer interacoes com os modos vibracionais; nessas condicoes, esse processo incoerente e chamado de cotunelamento elastico. O formalismo quaternionico foi utilizado para estudar o transporte de cargas em duas familias de moleculas: alcanos H2nCnS2, com (n = 2, 4, 6, 8, 10) e alquenos HkCkS2, com (k = 4, 6, 8, 10). A molecula de fenilenodiaminobistiol tambem foi examinada. Para a familia dos alcanos, os resultados mostraram que o mecanismo balístico domina o transporte em baixas tensoes, enquanto em altas voltagens o mecanismo de cotunelamento se torna o mais relevante, como evidenciado pelas correspondentes curvas de condutancia. Por outro lado, para os alcenos, verifica-se que, em todas as tensoes, o mecanismo de transporte dominante e o balistico, com a contribuicao dos processos de cotunelamento sendo praticamente nula. A evolucao da estrutura eletronica com a variacao da tensao aplicada pode ser diretamente relacionada as diferencas observadas nas respostas eletricas das duas familias. Foi tambem demosntrado que os efeitos quânticos de “avoided-crossings”, ou cruzamentos evitados, aparecem como muito relevantes para a compreensao da contribuicao dos processos de cotunelamento, um assunto que nao costuma ser devidamente discutido na literatura. CNPq Molecular electronics, which appears as a promising alternative to the inorganic semiconductor technology, relies on the use of organic molecules as primary circuit elements. From the scientific point of view, it is first necessary to understand the mechanisms responsible for the transport of charge through a single molecule between two electrodes. The present knowledge allows us to classify two types of transport mechanisms: coherent (or ballistic) processes and incoherent (or non-ballistic transport). However, as recently reported in the literature, there is also the possibility of these two transport mechanisms coexist. In this intermediate regime, the existing formalisms that describe ballistic and non-ballistic transport become inadequate for the correct description of the problem. In the present work, our proposal is to use quaternions algebra to develop a formalism that allow to determine in a separate manner the contributions of the ballistic and non-ballistic mechanisms. In this treatment, the transport would involve only the elastic modification of the electronic structure of involved charge states of the molecule, neglecting any interactions with the vibrational modes; under these conditions this incoherent process is called elastic cotunneling. The quaternionic formalism was used to study the transport of charges in two families of molecules: alkanes H2nCnS2, with (n = 2, 4, 6, 8, 10), and alkenes HkCkS2, with (k = 4, 6, 8, 10). The phenylenediaminobistiol molecule was also examined. For the alkane family, the results showed that the ballistic mechanism dominates the transport at low voltages, while at high voltages the cotunneling mechanism becomes the most relevant, as evidenced by the corresponding conductance curves. On the other hand, for the alkenes it is found that at all voltages the dominant transport mechanism is the ballistic one, with the contribution of the tapping processes being practically zero. The evolution of the electronic structure with the applied voltage variation can be directly related to the observed differences in the electric responses of the two families. It is also shown that avoided-crossing quantum effects appear as very relevant for the understanding of the contribution of the cotunneling processes, a subject not properly discussed in the literature.