Destructive quantum interference as a novel paradigm for chemical sensing

Abstract

"Quantum interference has attracted increasing interest in the field of molecular electronics,originating from the wave-like nature of the electrons propagating through a molecular bridge. Aparticularly intriguing realization of quantum interference is the destructive quantum interferenceeffect (DQI), as it gives rise to sharp anti-resonances that can suppress the electron transmissionprobability by several orders of magnitude. This has significant implications in molecular electronicsand offers unprecedented prospects for designing advanced nanoscale devices by providing precisecontrol over the electron transport pathways. This thesis aims to explore theoretical scenarios toenhance the performance of graphene sensors utilizing quantum interference effects. To this end,we investigate the complex nature of quantum interference from different perspectives by using adensity functional theory-based approach.We start by focusing on the impact of the different components of a molecular junction on DQI. Inparticular, we consider (i) different electrode material, (ii) different anchoring groups betweenthe molecule and the electrodes, and (iii) different contact positions of the molecule. We findthat gold electrodes offer optimal performance, as they do not modulate the energy profile of thetransmission but are not viable for applications outside an experimental lab. Instead, graphene isvery promising for environmental-friendly, planar, next-generation electronics, but care is required,as the properties of its edges induce additional transmission features that can partially concealquantum interference effects. Different anchoring groups, like thiol and acetylene can lead tovariations in electronic coupling between the molecule and electrodes, thereby influencing theelectron transport characteristics. Next, we explore the potential response of molecular junctionsfor the detection of different adsorbates by highlighting the role of quantum interference in thesensing process. By exploiting DQI arising from the meta-connected junction, we present a wayto calibrate the sensor and enhance its selectivity and sensitivity. As the next step, we build aminimal tight-binding model characterized by a few parameters, which we extract from ab-initiocalculations. This allows us to perform large-scale simulations which are beyond the reach ofdensity functional theory. At the same time, it also allows us to deepen our understanding of theelectron transport characteristics of graphene-based chemical sensors in the presence of multipleadsorbates.This thesis presents a comprehensive analysis of quantum interference effects in molecularjunctions.We believe that the insights we have gained will provide a significant contribution inthe years to come in diverse fields, from surface science to biosensors."

"Quanteninterferenz hat auf dem Gebiet der Molekularelektronik zunehmendes Interesse geweckt, was auf die wellenförmige Natur der Elektronen zurückzuführen ist, die sich durch eine molekulare Brücke ausbreiten. Eine besonders faszinierende Form der Quanteninterferenz ist der destruktive Quanteninterferenzeffekt (DQI), da er zu scharfen Antiresonanzen führt, die die Wahrscheinlichkeit der Elektronenübertragung um mehrere Größenordnungen unterdrücken können. Dies hat erhebliche Auswirkungen auf der Molekularelektronik und bietet ungeahnte Möglichkeiten für die Entwicklung fortschrittlicher nanoskaliger Bauelemente, indem er eine präzise Kontrolle über die Elektronentransportwege ermöglicht. Ziel dieser Arbeit ist es, theoretische Szenarien zur Verbesserung der Leistung von Graphen-Sensoren unter Ausnutzung von Quanteninterferenzeffekten zu untersuchen. Zu diesem Zweck untersuchen wir die komplexe Natur der Quanteninterferenz aus verschiedenen Blickwinkeln, indem wir einen auf Dichtefunktionaltheorie basierenden Ansatz verwenden.Zunächst konzentrieren wir uns auf die Auswirkungen der verschiedenen Komponenten eines molekularen Kontakts auf die DQI. Insbesondere betrachten wir (i) verschiedene Elektrodenmaterialien, (ii) verschiedene Ankergruppen zwischen dem Molekül und den Elektroden und (iii) verschiedene Kontaktpositionen des Moleküls. Wir stellen fest, dass Goldelektroden eine optimale Leistung bieten, da sie das Energieprofil der Übertragung nicht modulieren, aber für Anwendungen außerhalb eines Versuchslabors nicht in Frage kommen. Stattdessen ist Graphen sehr vielversprechend für umweltfreundliche, planare Elektronik der nächsten Generation, aber es ist Vorsicht geboten, da die Eigenschaften seiner Kanten zusätzliche Übertragungsmerkmale hervorrufen, die Quanteninterferenzeffekte teilweise verdecken können. Unterschiedliche Ankergruppen wie Thiol und Acetylen, können zu Variationen in der elektronischen Kopplung zwischen dem Molekül und den Elektroden führen und dadurch die Elektronentransporteigenschaften beeinflussen. Als Nächstes untersuchen wir die potenzielle Reaktion von molekularen Kontakten verschiedene Adsorbate, indem wir die Rolle der Quanteninterferenz im Erfassungsprozess hervorheben. Durch Ausnutzung der DQI, die sich aus dem meta-verbundenen Kontakt ergibt, präsentieren wir eine Möglichkeit, den Sensor zu kalibrieren und die Selektivität und Empfindlichkeit zu verbessern. Im nächsten Schritt erstellen wir ein minimales Tight-Binding-Modell, das von wenigen Parametern charakterisiert ist, die wir aus der ab-initio Rechnung extrahieren. Damit können wir Simulationen durchführen, die mit der Dichtefunktionaltheorie nicht möglich sind. Gleichzeitig ermöglicht es uns, unser Verständnis der Elektronentransporteigenschaften von Graphen in Gegenwart mehrerer Adsorbate zu vertiefen.In dieser Arbeit wird eine umfassende Analyse der Quanteninterferenzeffekte in molekularen Kontakten vorgestellt. Wir sind davon überzeugt, dass die von uns gewonnenen Erkenntnisse in den kommenden Jahren in verschiedenen Bereichen, von der Oberflächenwissenschaft bis hin zu Biosensoren, einen wichtigen Beitrag leisten werden."