Modelamento do transporte eletrônico em dispositivos moleculares

No presente trabalho, simulamos as propriedades de transporte e espectro de absorção do composto orgânico Vermelho de Etila. Este é o primeiro estudo teórico de um indicador específico de pH utilizado como nanodispositivo, com base na teoria quântica e no modelo de transporte não-difuso. A distribuição de carga ao longo da molécula é determinada através da técnica, Ab initio, como uma função de um campo elétrico externo. Baseado em um modelo de multiníveis ressonantes também calculamos a corrente como função da tensão de polarização. O acúmulo de carga e a corrente apresentam comportamento semelhante, como a condução do tipo ressonante e curvas carga-tensão e corrente-tensão assimétricas. Os principais resultados sugerem que o sistema presente poderia funcionar como um transistor molecular bi-direcional. Estendemos esta metodologia de análise para outro dispositivo molecular, mas composto de três terminais. Para este sistema, nossa descoberta principal é a resistência diferencial negativa (RDN) na carga Q como uma função do campo elétrico externo. Para explicar este efeito RDN, aplicamos um modelo capacitivo fenomenológico, também baseado em um sistema de multiníveis localizados (que podem ser os LUMOs – Lowest Unoccupied Molecular Orbital – Orbitais moleculares desocupados mais baixos). A capacitância descreve, por efeito de carregamento, a causa do bloqueio de Coulomb (BC) no transporte. Mostramos que o efeito BC dá origem a uma RDN para um conjunto adequado de parâmetros fenomenológicos como: taxa de tunelamento e energia de carregamento. O perfil da RDN obtida nas duas metodologias, ab initio e fenomenológica, estão em comum acordo.

ABSTRACT: In the present work we simulate the transport properties and absorption spectra of the organic compound ethyl red. This is the first theoretical study of a specific pH indicator utilized as nano-device, based on quantum theory and a non-diffusive transport model. The charge distribution along the molecule is calculated via Ab initio technique as a function of an external electric field. Based on a resonant multilevel model we also calculate the current against bias voltage. Both the charge accumulation and the current present similar behavior, like resonant type conduction and asymmetric charge–voltage and current–voltage curves. Our main results suggest that the present system could operate as a bidirectional molecular transistor. We spread this methodology to another molecular device however, with three-terminal. For this system, our main finding is a negative differential resistance (NDR) in the charge Q as a function of an external electric field. To explain this NDR effect we apply a phenomenological capacitive model based on a quite general system composed of many localized levels (that can be LUMOs of a molecule). The capacitance accounts for charging effects that can result in Coulomb blockade (CB) in the transport. We show that this CB effect gives rise to a NDR for a suitable set of phenomenological parameters, like tunneling rates and charging energies. The NDR profile obtained in both Ab initio and phenomenological methodologies are in close agreement.