Фотоблокування електронної трансмісії через молекулу

На основi методу нерiвноважної матрицi густини запропоновано кiнетичну модель формування фотоiндукованого струму через окрему молекулу, розмiщену мiж двома металевими електродами. Одержано аналiтичний вираз для фотоiндукованого струму за участю нейтрального, зарядженого та фотозбудженого стану молек...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2009
Hauptverfasser:	Петров, Е.Г., Зелінський, Я.Р.
Format:	Artikel
Sprache:	Ukrainian
Veröffentlicht:	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2009
Schlagworte:	Фізика
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/8516
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:	Фотоблокування електронної трансмісії через молекулу / Е. Г. Петров, Я.Р. Зелiнський // Доп. НАН України. — 2009. — № 5. — С. 94-98. — Бібліогр.: 14 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-8516
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-85162010-06-08T12:01:22Z Фотоблокування електронної трансмісії через молекулу Петров, Е.Г. Зелінський, Я.Р. Фізика На основi методу нерiвноважної матрицi густини запропоновано кiнетичну модель формування фотоiндукованого струму через окрему молекулу, розмiщену мiж двома металевими електродами. Одержано аналiтичний вираз для фотоiндукованого струму за участю нейтрального, зарядженого та фотозбудженого стану молекули. Проведено аналiз поведiнки струму та провiдностi молекули вiд рiзницi прикладених до електродiв потенцiалiв, а також вiд частоти зовнiшнього електромагнiтного випромiнювання. Виявлено фотостимульований ефект переключення мiж провiдним та слабопровiдним станами молекули. A unified theoretical approach based on the nonequilibrium density matrix method is employed to describe the photoinduced current formation through a molecule embedded between two electrodes. The analytical expression for the photoinduced interelectrode current through the molecule being in its neutral, charged, and excited states, is derived. Dependence of the current-voltage and conductance-voltage characteristics of the molecule on the light frequency is analyzed, and the photoswitching effect is predicted. 2009 Article Фотоблокування електронної трансмісії через молекулу / Е. Г. Петров, Я.Р. Зелiнський // Доп. НАН України. — 2009. — № 5. — С. 94-98. — Бібліогр.: 14 назв. — укр. 1025-6415 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/8516 530.1,537.37,621.382 uk Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	Фізика Фізика
spellingShingle	Фізика Фізика Петров, Е.Г. Зелінський, Я.Р. Фотоблокування електронної трансмісії через молекулу
description	На основi методу нерiвноважної матрицi густини запропоновано кiнетичну модель формування фотоiндукованого струму через окрему молекулу, розмiщену мiж двома металевими електродами. Одержано аналiтичний вираз для фотоiндукованого струму за участю нейтрального, зарядженого та фотозбудженого стану молекули. Проведено аналiз поведiнки струму та провiдностi молекули вiд рiзницi прикладених до електродiв потенцiалiв, а також вiд частоти зовнiшнього електромагнiтного випромiнювання. Виявлено фотостимульований ефект переключення мiж провiдним та слабопровiдним станами молекули.
format	Article
author	Петров, Е.Г. Зелінський, Я.Р.
author_facet	Петров, Е.Г. Зелінський, Я.Р.
author_sort	Петров, Е.Г.
title	Фотоблокування електронної трансмісії через молекулу
title_short	Фотоблокування електронної трансмісії через молекулу
title_full	Фотоблокування електронної трансмісії через молекулу
title_fullStr	Фотоблокування електронної трансмісії через молекулу
title_full_unstemmed	Фотоблокування електронної трансмісії через молекулу
title_sort	фотоблокування електронної трансмісії через молекулу
publisher	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
publishDate	2009
topic_facet	Фізика
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/8516
citation_txt	Фотоблокування електронної трансмісії через молекулу / Е. Г. Петров, Я.Р. Зелiнський // Доп. НАН України. — 2009. — № 5. — С. 94-98. — Бібліогр.: 14 назв. — укр.
work_keys_str_mv	AT petroveg fotoblokuvannâelektronnoítransmísííčerezmolekulu AT zelínsʹkijâr fotoblokuvannâelektronnoítransmísííčerezmolekulu
first_indexed	2025-07-02T11:13:54Z
last_indexed	2025-07-02T11:13:54Z
_version_	1836533504868876288
fulltext	УДК 530.1,537.37,621.382 © 2009 Член-кореспондент НАН України Е.Г. Петров, Я.Р. Зелiнський Фотоблокування електронної трансмiсiї через молекулу На основi методу нерiвноважної матрицi густини запропоновано кiнетичну модель фор- мування фотоiндукованого струму через окрему молекулу, розмiщену мiж двома ме- талевими електродами. Одержано аналiтичний вираз для фотоiндукованого струму за участю нейтрального, зарядженого та фотозбудженого стану молекули. Проведено аналiз поведiнки струму та провiдностi молекули вiд рiзницi прикладених до електро- дiв потенцiалiв, а також вiд частоти зовнiшнього електромагнiтного випромiнювання. Виявлено фотостимульований ефект переключення мiж провiдним та слабопровiдним станами молекули. Здатнiсть експериментального дослiдження провiдних властивостей окремих органiчних молекул, розмiщених мiж двома металевими електродами, вiдкрило новi перспективи для наступної мiнiмiзацiї компонент електронних схем, основаних на використаннi м’якотiлої елементної бази [1, 2]. Вже зараз синтезовано цiлий ряд молекулярних сполук iз задани- ми характеристиками, якi здатнi вiдiгравати роль провiдникiв [3], дiодiв [4], молекулярних ключiв [5], транзисторiв [6], логiчних та запам’ятовуючих пристроїв [7]. При цьому конт- роль провiдними властивостями таких структур здiйснюється як зовнiшнiми постiйними електричними полями, прикладеними до металевих контактiв, так i змiнним електромаг- нiтним полем, через додаткове опромiнення системи метал — молекула — метал (МММ). Таке опромiнення може приводити до значних змiн у геометрiї та електроннiй конфiгу- рацiї молекули, що в свою чергу призводить до змiни її провiдних властивостей [8]. Не- щодавнi експериментальнi дослiдження пари α-спiральних пептидiв з рiзним напрямком дипольного моменту, одночасно розмiщених на металевiй пiдложцi, показали [9], що вплив електромагнiтного випромiнювання оптичного дiапазону частот може приводити не лише до покращення провiдностi МММ структури, а й до виникнення ефектiв переключення мiж провiдним та непровiдним станами молекули. Для теоретичного дослiдження фотопровiд- ностi органiчних молекул використовується метод нерiвноважної функцiї Грiна [10], а також метод нерiвноважної матрицi густини (НМГ). Останнiй особливо зручний для опису елект- рон-транспортних процесiв, контрольованих зовнiшнiми постiйними та змiнними полями, як у модельних системах, так i у донорно-акцепторних комплексах [11, 12]. В данiй роботi на основi методу НМГ запропоновано кiнетичну модель для знаходження аналiтичного ви- разу для стацiонарного фотоiндукованого мiжелектродного струму через окрему молекулу за участю її основного, збудженого та зарядженого станiв. Кiнетична модель формування фотоiндукованого струму. Для вивчення меха- нiзмiв формування фотоiндукованого струму розглянемо модельну систему, яка складаєть- ся з двох металевих контактiв L i R та молекули розмiщеної мiж ними (LMR система). Вважатимемо, що до електродiв прикладена постiйна рiзниця потенцiалiв V , а на молекулу дiє зовнiшнє електромагнiтне випромiнювання частоти Ω (рис. 1). В рамках моделi транс- мiсiя електрона вiдбувається мiж трьома електронними станами LMR системи, до яких належать: \|M0〉 — основний стан системи, в якому транспортований електрон знаходиться на одному iз електродiв, а молекула — у нейтральному станi; \|M−〉 — молекула знаходиться 94 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2009, №5 Рис. 1. Молекула, розмiщена мiж двома металевими електродами L та R, до яких прикладена рiзниця отенцiалiв V у зарядженому станi i мiстить один надлишковий електрон та стан \|M−∗〉, що вiдповiдає фотозбудженому стану молекули, у який вона переходить iз зарядженого стану пiд дiєю еле- ктромагнiтного випромiнювання. Кожному iз станiв LMR системи вiдповiдає ймовiрнiсть його реалiзацiї (заселенiсть), якi позначатимемо P (M0, t), P (M−, t) i P (M−∗, t). При цьому формування струму в системi вiдбувається завдяки конкуренцiї рiзних електрон-транспорт- них процесiв. Такi процеси проходять як на межi електрод — молекула i характеризуються прямими χL(R)n та зворотними χ −L(−R)n (n = M−, M−∗) мiжелектродними швидкостями переносу, так i в серединi молекули: мiж зарядженим та фотозбудженим станами молекули, з ефективною прямою kM− →M−∗(Ω) та зворотною kM−∗ →M−(Ω) швидкостями. Також має мiсце дистанцiйне тунелювання електрону з одного електрода на iнший, що призводить до утворення пружного механiзму зарядового переносу в LMR системi. Для знаходження мiжелектродного струму можна записати замкнену систему лiнiйних кiнетичних рiвнянь для кожної iз заселеностей станiв P (n, t)(n = M0,M −,M−∗) LMR сис- теми, процедура одержання якої методами НМГ наведена в роботi [13]. Розв’язання цiєї системи кiнетичних рiвнянь дозволить знайти вираз для фотоiндукованого мiжелектродно- го струму. Стацiонарний фотоiндукований струм через молекулу. У стацiонарному випад- ку, коли заселеностi кожного iз станiв LMR системи, що беруть участь у фотоiндукованiй трансмiсiїї, не залежить вiд часу P (n, t) ≡ Pn = const, мiжелектродний струм можна по- дати у виглядi адитивної суми термiчно-активованої стрибкової та дистанцiйної пружної компонент: I(V ) = Ihop(V ) + Idir(V ), (1) де Ihop(V ) та Idir(V ) визначаються за допомогою таких спiввiдношень: Ihop(V ) = I02π~ [ (χLM− + χLM−∗)PM0 − 1 2 (χ −LM−PM− + χ −LM−∗PM−∗) ] , (2) Idir(V ) = I02π~ ( ∑ n=M−,M−∗ Q (i) L→RP(n) + Q (0) L→RPM0 ) . (3) У формулi (3) Q (0) L→R = Q (M−) L→R + Q (M−∗) L→R , а величини Q (n) L→R (n = M−, M−∗) є мiж- електродними пружними потоками електронiв, кожен з яких залежить вiд зарядового стану молекули n. Аналiтичнi вирази для таких потокiв знайденi в роботi [13] i визначаються че- рез положення енергетичних рiвнiв молекули вiдносно рiвня Фермi електродiв та величини зв’язку молекули з металевими контактами. ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2009, №5 95 Рис. 2. I(V ) характеристика струму при рiзних значеннях частоти електромагнiтного випромiнювання Ω (на вставцi — поведiнка вiд V заселеностей кожного iз станiв LMR системи, що беруть участь в електроннiй трансмiсiї) Аналiтичнi вирази для стацiонарного фотоiндукованого струму (1) разом iз формула- ми (2), (3) є основою для дослiдження впливу частоти зовнiшнього електромагнiтного ви- промiнювання Ω на формування вольт-амперних характеристик струму, а також на про- вiднiсть молекули. На рис. 2 показана I(V ) характеристика струму при рiзних значеннях частоти зовнiшнього електромагнiтного випромiнювання Ω, а також поведiнка вiд V за- селеностей Pn (див. вставку) у широкому дiапазонi прикладених до електродiв рiзниць потенцiалiв V . Основний вплив електромагнiтного випромiнювання на формування струму у LMR системi здiйснюється завдяки фотоiндукованим переходам, якi керуються прямою kM− →M−∗(Ω) та зворотною kM−∗ →M−(Ω) швидкостями мiж зарядженим та фотозбудженим станами молекули. Такi переходи приводять до змiни електронної заселеностi молекули, що, в свою чергу, викликає змiну її провiдних властивостей. Розрахунки показали, що при малих частотах випромiнювання електронна заселенiсть молекули у фотозбудженому станi є незначною (PM−∗ ≈ 0,001). При такiй умовi формування струму вiдбувається завдяки конкуренцiї стрибкових та дистанцiйно-пружних електрон-транспортних процесiв iз залу- ченням основного та зарядженого станiв молекули, а сама молекула знаходиться у про- вiдному станi. Iз зростанням частоти Ω вiдбується рiзке зростання швидкостi kM− →M−∗(Ω) i залучення додаткового фотозбудженого стану молекули, яке супроводжується зростанням заселеностi PM−∗ (див. вставку до рис. 2). В результатi має мiсце рiзке зменшення струму i перехiд молекули у слабо провiдний стан, що також проiлюстровано на рис. 3, де пока- зана поведiнка диференцiйної провiдностi g(V ) = dI(V )/dV вiд рiзницi прикладених до електродiв потенцiалiв V при рiзних значеннях частоти електромагнiтного випромiнюван- ня. З рисунку видно рiзке зменшення провiдностi молекули при зростаннi Ω, що вказує на можливiсть використання молекули у ролi молекулярного фотоключа. На закiнчення вiдзначимо: дана робота присвячена вивченню впливу електромагнiтного випромiнювання оптичного дiапазону частот на формування I(V ) характеристик стацiонар- 96 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2009, №5 Рис. 3. Поведiнка диференцiйної провiдностi молекули вiд рiзницi прикладених до електродiв потенцiалiв при рiзних частотах електромагнiтного випромiнювання Ω ного фотоiндукованого струму (1) через окрему молекулу. Показано, що таке випромiнюван- ня може приводити до блокування струму (див. рис. 2), а провiднiсть молекули при цьому може змiнюватися на порядок величини (див. рис. 3). Останнє вказує на можливiсть ви- користання молекули як молекулярного ключа, контроль провiдними властивостями якого може здiйснюватися завдяки опромiненню молекули монохроматичним свiтлом. Такi ефе- кти неодноразово спостерiгалися експериментально [14], однак застосування нашої моделi до опису фотопровiдних властивостей конкретних органiчних молекул потребує додатко- вого дослiдження. Робота виконана в рамках проекту МОН України М-196-2007. 1. McCreery R. L. Molecular electronic junctions // Chem. Mater. – 2004. – 16. – P. 4477–4496. 2. Ratner M.A. Molecular electronics: charged with manipulation // Nature. – 2005. – 435. – P. 575–577. 3. Ashwel G. J., Urasinska B., Wang C. et al. Single-molecule electrical studies on a 7 nm long molecular wire // Chem. Commun. – 2006. – P. 4706–4708. 4. Austin M.D., Chou S. Y. Fabrication of a molecular self-assembled monolayer diode using nanoimprint lithography // Nano Lett. – 2003. – 3. – P. 1687–1690. 5. Xu B.Q., Li X. L., Xiao X.Y. et al. Electromechanical and conductance switching properties of single oligothiophene molecules // Ibid. – 2005. – 5, No 7. – P. 1491–1495. 6. Chae D.-H., Berry J. F., Jung S. et al. Vibrational excitations in single trimetal-molecule transistors // Ibid. – 2006. – 6. – P. 165–168. 7. Chen J., Su J., Wang W. et al. Electronic memory effects in self-assembled monolayer systems // Physica E. – 2003. – 16. – P. 17–23. 8. Staykov A., Nazaki D., Yoshizawa K. Photoswitching of conductivity through a diarylperfluorocyclopentene nanowire // J. Phys. Chem. C. – 2007. – 111. – P. 3517–3521. 9. Yasutomi S., Morita T., Imanishi Y. et al. A Molecular photodiode system that can switch photocurrent direction // Science. – 2004. – 304. – P. 1944. – 1947. 10. Galperin M., Tretiak S. Linear optical response of current-carrying molecular junction: a nonequilibrium Green’s function-time-dependent density functional theory approach // J. Chem. Phys. – 2008. – 128. – P. 124705–1–9. ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2009, №5 97 11. Goychuk I.A., Petrov E.G., May V. Control of the dynamics of a dissipative two-level system by a strong periodic field // Chem. Phys. Lett. – 1996. – 253. – P. 428–437. 12. Petrov E.G., Zelinskyy Ya. R., May V. et al. Charge transmission through a molecular wire: The role of terminal sites for the current-voltage behavior // J. Chem. Phys. – 2007. – 127. – P. 0847091–11. 13. Petrov E.G. Towards a many-body theory of the combined elastic and inelastic transmission through a single molecule // Chem. Phys. – 2006. – 326. – P. 151–175. 14. Matsui J., Mitsuishi M., Aoki A. et al. Molecular optical gating devices based on polymer nanosheets assemblies // J. Am. Chem. Soc. – 2004. – 126. – P. 3708–3709. Надiйшло до редакцiї 20.11.2008Iнститут теоретичної фiзики iм. М.М. Боголюбова НАН України, Київ Corresponding Member of NAS of Ukraine E. G. Petrov, Ya. R. Zelinskyy Photoblocking of electron transmission through a molecule A unified theoretical approach based on the nonequilibrium density matrix method is employed to describe the photoinduced current formation through a molecule embedded between two electrodes. The analytical expression for the photoinduced interelectrode current through the molecule being in its neutral, charged, and excited states, is derived. Dependence of the current-voltage and conduc- tance-voltage characteristics of the molecule on the light frequency is analyzed, and the photoswi- tching effect is predicted. 98 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2009, №5

Фотоблокування електронної трансмісії через молекулу

Institution

Ähnliche Einträge