Hysteresis, switching, and negative differential resistance in molecular junctions: A polaron model

Nano Letters

Volumn 5, Issue 1, 2005, Pages 125-130

  Galperin, Michael ^a   Ratner, Mark A ^a   Nitzan, Abraham ^b  

^a NORTHWESTERN UNIVERSITY   (United States)

^b TEL AVIV UNIVERSITY   (Israel)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

CHARGED ELECTRONIC STATES; HARTREE APPROXIMATION; MOLECULAR JUNCTIONS; NEGATIVE DIFFERENTIAL RESISTANCE (NDR);

DIFFERENTIAL EQUATIONS; ELECTRIC CHARGE; ELECTRIC RESISTANCE; HYSTERESIS; OSCILLATORS (ELECTRONIC); REDOX REACTIONS; SEMICONDUCTOR JUNCTIONS; SWITCHING;

POLARONS;

EID: 12844270518     PISSN: 15306984     EISSN: None     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/nl048216c     Document Type: Article

References (48)

1. Joachim, C.; Gimzewski. J. K.; Aviram, A. Nature 2000, 408, 541. Nitzan, A.; Ratner, M. A. Science 2003, 300, 1384. Nitzan, A. Annu. Rev. Phys. Chem. 2001, 52, 681. Davis, W. B.; Svec, W. A.; Ratner, M. A.: Wasielewski, M. R. Nature 1998, 396, 60.
2. Joachim, C.; Gimzewski. J. K.; Aviram, A. Nature 2000, 408, 541. Nitzan, A.; Ratner, M. A. Science 2003, 300, 1384. Nitzan, A. Annu. Rev. Phys. Chem. 2001, 52, 681. Davis, W. B.; Svec, W. A.; Ratner, M. A.: Wasielewski, M. R. Nature 1998, 396, 60.
3. Joachim, C.; Gimzewski. J. K.; Aviram, A. Nature 2000, 408, 541. Nitzan, A.; Ratner, M. A. Science 2003, 300, 1384. Nitzan, A. Annu. Rev. Phys. Chem. 2001, 52, 681. Davis, W. B.; Svec, W. A.; Ratner, M. A.: Wasielewski, M. R. Nature 1998, 396, 60.
4. Joachim, C.; Gimzewski. J. K.; Aviram, A. Nature 2000, 408, 541. Nitzan, A.; Ratner, M. A. Science 2003, 300, 1384. Nitzan, A. Annu. Rev. Phys. Chem. 2001, 52, 681. Davis, W. B.; Svec, W. A.; Ratner, M. A.: Wasielewski, M. R. Nature 1998, 396, 60.
5. Reichert, J.; Ochs, R.; Beckman, D.; Weber, H. B.; Mayor, M.; Löhneysen, Hv. Phys. Rev. Lett. 2002, 88, 176804. Reed, M. A.; Zhou, C.; Muller, C. J.; Burgin, T. P.; Tour, J. M. Science 1997, 278, 252. Weber, H. B.; Reichert, J.; Weigend, F.; Ochs, R.; Beckman, D.; Mayor, M.; Ahlrichs, R.; Lohneysen, Hv. Chem. Phys. 2002, 281, 113. Smith. R. H. M.; Noat. Y.; Untiedt, C.; Lang, N. D.; van Hemert. M. C.; Ruitenbeek, J. M. Nature 2002, 419, 906. Park, J.; Pasupathy, A. N.; Goldsmith, J. L.; Chang, C.; Yaish, Y.; Petta, J. R.; Rinkoski, M.; Sethna, J. P.; Abruna, H. D.; McEuen, P. L.; Ralph, D. C. Nature 2002, 417, 722. Liang, W. J.; Shores, M.; Bockrath, M.; Long, J. R.; Park, H. Nature 2002, 417, 725.
6. Reichert, J.; Ochs, R.; Beckman, D.; Weber, H. B.; Mayor, M.; Löhneysen, Hv. Phys. Rev. Lett. 2002, 88, 176804. Reed, M. A.; Zhou, C.; Muller, C. J.; Burgin, T. P.; Tour, J. M. Science 1997, 278, 252. Weber, H. B.; Reichert, J.; Weigend, F.; Ochs, R.; Beckman, D.; Mayor, M.; Ahlrichs, R.; Lohneysen, Hv. Chem. Phys. 2002, 281, 113. Smith. R. H. M.; Noat. Y.; Untiedt, C.; Lang, N. D.; van Hemert. M. C.; Ruitenbeek, J. M. Nature 2002, 419, 906. Park, J.; Pasupathy, A. N.; Goldsmith, J. L.; Chang, C.; Yaish, Y.; Petta, J. R.; Rinkoski, M.; Sethna, J. P.; Abruna, H. D.; McEuen, P. L.; Ralph, D. C. Nature 2002, 417, 722. Liang, W. J.; Shores, M.; Bockrath, M.; Long, J. R.; Park, H. Nature 2002, 417, 725.
7. Reichert, J.; Ochs, R.; Beckman, D.; Weber, H. B.; Mayor, M.; Löhneysen, Hv. Phys. Rev. Lett. 2002, 88, 176804. Reed, M. A.; Zhou, C.; Muller, C. J.; Burgin, T. P.; Tour, J. M. Science 1997, 278, 252. Weber, H. B.; Reichert, J.; Weigend, F.; Ochs, R.; Beckman, D.; Mayor, M.; Ahlrichs, R.; Lohneysen, Hv. Chem. Phys. 2002, 281, 113. Smith. R. H. M.; Noat. Y.; Untiedt, C.; Lang, N. D.; van Hemert. M. C.; Ruitenbeek, J. M. Nature 2002, 419, 906. Park, J.; Pasupathy, A. N.; Goldsmith, J. L.; Chang, C.; Yaish, Y.; Petta, J. R.; Rinkoski, M.; Sethna, J. P.; Abruna, H. D.; McEuen, P. L.; Ralph, D. C. Nature 2002, 417, 722. Liang, W. J.; Shores, M.; Bockrath, M.; Long, J. R.; Park, H. Nature 2002, 417, 725.
8. Reichert, J.; Ochs, R.; Beckman, D.; Weber, H. B.; Mayor, M.; Löhneysen, Hv. Phys. Rev. Lett. 2002, 88, 176804. Reed, M. A.; Zhou, C.; Muller, C. J.; Burgin, T. P.; Tour, J. M. Science 1997, 278, 252. Weber, H. B.; Reichert, J.; Weigend, F.; Ochs, R.; Beckman, D.; Mayor, M.; Ahlrichs, R.; Lohneysen, Hv. Chem. Phys. 2002, 281, 113. Smith. R. H. M.; Noat. Y.; Untiedt, C.; Lang, N. D.; van Hemert. M. C.; Ruitenbeek, J. M. Nature 2002, 419, 906. Park, J.; Pasupathy, A. N.; Goldsmith, J. L.; Chang, C.; Yaish, Y.; Petta, J. R.; Rinkoski, M.; Sethna, J. P.; Abruna, H. D.; McEuen, P. L.; Ralph, D. C. Nature 2002, 417, 722. Liang, W. J.; Shores, M.; Bockrath, M.; Long, J. R.; Park, H. Nature 2002, 417, 725.
9. Reichert, J.; Ochs, R.; Beckman, D.; Weber, H. B.; Mayor, M.; Löhneysen, Hv. Phys. Rev. Lett. 2002, 88, 176804. Reed, M. A.; Zhou, C.; Muller, C. J.; Burgin, T. P.; Tour, J. M. Science 1997, 278, 252. Weber, H. B.; Reichert, J.; Weigend, F.; Ochs, R.; Beckman, D.; Mayor, M.; Ahlrichs, R.; Lohneysen, Hv. Chem. Phys. 2002, 281, 113. Smith. R. H. M.; Noat. Y.; Untiedt, C.; Lang, N. D.; van Hemert. M. C.; Ruitenbeek, J. M. Nature 2002, 419, 906. Park, J.; Pasupathy, A. N.; Goldsmith, J. L.; Chang, C.; Yaish, Y.; Petta, J. R.; Rinkoski, M.; Sethna, J. P.; Abruna, H. D.; McEuen, P. L.; Ralph, D. C. Nature 2002, 417, 722. Liang, W. J.; Shores, M.; Bockrath, M.; Long, J. R.; Park, H. Nature 2002, 417, 725.
10. Reichert, J.; Ochs, R.; Beckman, D.; Weber, H. B.; Mayor, M.; Löhneysen, Hv. Phys. Rev. Lett. 2002, 88, 176804. Reed, M. A.; Zhou, C.; Muller, C. J.; Burgin, T. P.; Tour, J. M. Science 1997, 278, 252. Weber, H. B.; Reichert, J.; Weigend, F.; Ochs, R.; Beckman, D.; Mayor, M.; Ahlrichs, R.; Lohneysen, Hv. Chem. Phys. 2002, 281, 113. Smith. R. H. M.; Noat. Y.; Untiedt, C.; Lang, N. D.; van Hemert. M. C.; Ruitenbeek, J. M. Nature 2002, 419, 906. Park, J.; Pasupathy, A. N.; Goldsmith, J. L.; Chang, C.; Yaish, Y.; Petta, J. R.; Rinkoski, M.; Sethna, J. P.; Abruna, H. D.; McEuen, P. L.; Ralph, D. C. Nature 2002, 417, 722. Liang, W. J.; Shores, M.; Bockrath, M.; Long, J. R.; Park, H. Nature 2002, 417, 725.
11. Kushmerick, J. G.; Pollack, S. K.; Yang, J. C.; Naciri, J.; Holt, D. B.; Ratner, M. A.; Shashidhar, R. Ann. N. Y. Acad. Sci. 2003, 1006, 277. Lee, T.; Wang, W. Y.; Klemic. J. F.; Zhang, J. J.; Su, J.; Reed, M. A. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 8742.
12. Kushmerick, J. G.; Pollack, S. K.; Yang, J. C.; Naciri, J.; Holt, D. B.; Ratner, M. A.; Shashidhar, R. Ann. N. Y. Acad. Sci. 2003, 1006, 277. Lee, T.; Wang, W. Y.; Klemic. J. F.; Zhang, J. J.; Su, J.; Reed, M. A. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 8742.
13. Cui, X. D.; Primak, A.; Zarate, X.; Tomfohr, J.; Sankey, O. F.; Moore, A. L.; Moore, T. A.; Oust, D.; Harris, G.; Lindsay, S. M. Science 2001, 294, 571. Wold, D. J.; Frisbie, C. D. J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 5549.
14. Cui, X. D.; Primak, A.; Zarate, X.; Tomfohr, J.; Sankey, O. F.; Moore, A. L.; Moore, T. A.; Oust, D.; Harris, G.; Lindsay, S. M. Science 2001, 294, 571. Wold, D. J.; Frisbie, C. D. J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 5549.
15. Bumm, L. A.; Arnold, J. J.; Cygan, M. T.; Dunbar, T. D.; Burgin, T. P.; Jones, L.; Allara, D. L.; Tour, J. M.; Weiss, P. S. Science 1996, 271, 1705. Nazin, G. V.; Qui, X. H.; Ho, W. Science 2003, 302, 77. Datta. S.; Tian, W. D.; Hong. S. H.; Reifenberger, R.; Henderson, J. I.; Kubiak, C. P. Phys. Rev. Lett. 1997, 79, 2530.
16. Bumm, L. A.; Arnold, J. J.; Cygan, M. T.; Dunbar, T. D.; Burgin, T. P.; Jones, L.; Allara, D. L.; Tour, J. M.; Weiss, P. S. Science 1996, 271, 1705. Nazin, G. V.; Qui, X. H.; Ho, W. Science 2003, 302, 77. Datta. S.; Tian, W. D.; Hong. S. H.; Reifenberger, R.; Henderson, J. I.; Kubiak, C. P. Phys. Rev. Lett. 1997, 79, 2530.
17. Bumm, L. A.; Arnold, J. J.; Cygan, M. T.; Dunbar, T. D.; Burgin, T. P.; Jones, L.; Allara, D. L.; Tour, J. M.; Weiss, P. S. Science 1996, 271, 1705. Nazin, G. V.; Qui, X. H.; Ho, W. Science 2003, 302, 77. Datta. S.; Tian, W. D.; Hong. S. H.; Reifenberger, R.; Henderson, J. I.; Kubiak, C. P. Phys. Rev. Lett. 1997, 79, 2530.
18. Cai, L. T.; Skulason, H.; Kushmerick, J. G.; Pollack, S. K.; Naciri, J.; Shashidhar, R.; Allara, D. L.; Mallouk, T. E.; Mayer. T. S. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 2827. Slowinski, K.; Chamberlain, R. V.; Miller, C. J.; Majda, M. J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 11910. Holmin, R. E.; Haag, R.; Chabinyc, M. L.; Ismagilov, R. F.; Cohen, A. E.; Terfort, A.; Rampi, M. A.; Whitesides, G. M. J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 5075.
19. Cai, L. T.; Skulason, H.; Kushmerick, J. G.; Pollack, S. K.; Naciri, J.; Shashidhar, R.; Allara, D. L.; Mallouk, T. E.; Mayer. T. S. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 2827. Slowinski, K.; Chamberlain, R. V.; Miller, C. J.; Majda, M. J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 11910. Holmin, R. E.; Haag, R.; Chabinyc, M. L.; Ismagilov, R. F.; Cohen, A. E.; Terfort, A.; Rampi, M. A.; Whitesides, G. M. J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 5075.
20. Cai, L. T.; Skulason, H.; Kushmerick, J. G.; Pollack, S. K.; Naciri, J.; Shashidhar, R.; Allara, D. L.; Mallouk, T. E.; Mayer. T. S. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 2827. Slowinski, K.; Chamberlain, R. V.; Miller, C. J.; Majda, M. J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 11910. Holmin, R. E.; Haag, R.; Chabinyc, M. L.; Ismagilov, R. F.; Cohen, A. E.; Terfort, A.; Rampi, M. A.; Whitesides, G. M. J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 5075.
21. Chen, J.; Reed, M. A.; Rawlett, A. M.; Tour, J. M. Science 1999, 286, 1550. Chen, J.; Wang, W.; Reed, M. A.; Rawlett, A. M.; Price, D. W.; Tour, J. M. Appl. Phys. Lett. 2000, 77, 1224.
22. Chen, J.; Reed, M. A.; Rawlett, A. M.; Tour, J. M. Science 1999, 286, 1550. Chen, J.; Wang, W.; Reed, M. A.; Rawlett, A. M.; Price, D. W.; Tour, J. M. Appl. Phys. Lett. 2000, 77, 1224.
23. Amlani, I.; Rawlett. A. N.; Nagahara, L. A.; Tsui, R. K. Appl. Phys. Lett. 2002, 80, 2761.
24. Kratochvilova. I.; Kocirik, M.; Zambova, A.; Mbindyo, J.; Mallouk, T. E.; Mayer, T. S. J. Mater. Chem. 2002, 12, 2927.
25. Walzer, K.; Marx, E.; Greenham, N. C.: Less, R. J.; Raithby, P. R.; Stokbro, K. J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, S 2004, 126, 1229.
26. Walzer, K.; Marx, E.; Greenham, N. C.: Less, R. J.; Raithby, P. R.; Stokbro, K. J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, S 2004, 126, 1229.
27. Rawlett, A. M.; Hopson, T. J.; Nagahara, L. A.; Tsui, R. K.; Ramachandran, G. K.; Lindsay, S. M. Appl. Phys. Lett. 2002, 81, 3043. Rawlett, A. M.; Hopson, T. J.; Amlani, I.; Zhang, R.; Tresek, J.; Nagahara, L. A.; Tsui, R. K.; Goronkin. H. Nanotechnology 2003, 14, 377.
28. Rawlett, A. M.; Hopson, T. J.; Nagahara, L. A.; Tsui, R. K.; Ramachandran, G. K.; Lindsay, S. M. Appl. Phys. Lett. 2002, 81, 3043. Rawlett, A. M.; Hopson, T. J.; Amlani, I.; Zhang, R.; Tresek, J.; Nagahara, L. A.; Tsui, R. K.; Goronkin. H. Nanotechnology 2003, 14, 377.
29. Le, J. D.; He, Y.; Hoye, T. R.; Mead, C. C.; Kiehl, R. A. Appl. Phys. Lett. 2003, 83, 5518.
30. Li. C.; Zhang, D.; Liu, X.; Han, S.; Tang, T.; Zhou, C; Fan, W.; Koehne, J.; Han, J.; Meyyappan, M.; Rawlett, A. M.; Price. D. W.; Tour, J. M. Appl. Phys. Lett. 2003, 82, 645. Schull, T. L.; Kushmerick, J. G.; Patterson, C. H.; George, C.; Moore, M. H.; Pollack, S. K.; Shashidhar, R. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 3202.
31. Li. C.; Zhang, D.; Liu, X.; Han, S.; Tang, T.; Zhou, C; Fan, W.; Koehne, J.; Han, J.; Meyyappan, M.; Rawlett, A. M.; Price. D. W.; Tour, J. M. Appl. Phys. Lett. 2003, 82, 645. Schull, T. L.; Kushmerick, J. G.; Patterson, C. H.; George, C.; Moore, M. H.; Pollack, S. K.; Shashidhar, R. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 3202.
32. Huber, J. L.; Chen, J.; McCormack, J. A.; Zhou, C. W.; Reed, M. A. IEEE Trans. 1997, 44, 2149. Chen, J.; Su, J.; Wang, W.; Reed, M. A. Physica E 2003, 16, 17.
33. Huber, J. L.; Chen, J.; McCormack, J. A.; Zhou, C. W.; Reed, M. A. IEEE Trans. 1997, 44, 2149. Chen, J.; Su, J.; Wang, W.; Reed, M. A. Physica E 2003, 16, 17.
34. Donhauser, Z. J.; Mantooth, B. A.; Kelly, K. F.; Bumm, L. A.; Monnell, J. D.; Stapleton, J. J.; Price, D. W., Jr.; Rawlett, A. M.; Allara, D. L.; Tour, J. M.; Weiss, P. S. Science 2001, 292, 2303. Seminario, J. M.; Zacarias, A. G.; Tour, J. M. J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 3015. Karzazi, Y.; Corail, J.; Brédas, J. L. Nanotechnology 2003, 14, 165.
35. Donhauser, Z. J.; Mantooth, B. A.; Kelly, K. F.; Bumm, L. A.; Monnell, J. D.; Stapleton, J. J.; Price, D. W., Jr.; Rawlett, A. M.; Allara, D. L.; Tour, J. M.; Weiss, P. S. Science 2001, 292, 2303. Seminario, J. M.; Zacarias, A. G.; Tour, J. M. J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 3015. Karzazi, Y.; Corail, J.; Brédas, J. L. Nanotechnology 2003, 14, 165.
36. Donhauser, Z. J.; Mantooth, B. A.; Kelly, K. F.; Bumm, L. A.; Monnell, J. D.; Stapleton, J. J.; Price, D. W., Jr.; Rawlett, A. M.; Allara, D. L.; Tour, J. M.; Weiss, P. S. Science 2001, 292, 2303. Seminario, J. M.; Zacarias, A. G.; Tour, J. M. J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 3015. Karzazi, Y.; Corail, J.; Brédas, J. L. Nanotechnology 2003, 14, 165.
37. Karzazi, Y.; Cornil, J.; Bréedas, J. L. J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 10076. Emberly, E. G.; Kirczenow, G. Phys. Rev. B 2001, 64, 125318.
38. Karzazi, Y.; Cornil, J.; Bréedas, J. L. J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 10076. Emberly, E. G.; Kirczenow, G. Phys. Rev. B 2001, 64, 125318.
39. Hewson. A. C.; Newns, D. M. Proc. 2nd Int. Conf. Solid Surfaces, 1974; Japan J. Appl. Phys. 1974, Suppl. 2, Pt. 2, 121, Hewson, A. C.; Newns, D. M. J. Phys. C: Solid State Phys. 1979, 12, 1665.
40. Hewson. A. C.; Newns, D. M. Proc. 2nd Int. Conf. Solid Surfaces, 1974; Japan J. Appl. Phys. 1974, Suppl. 2, Pt. 2, 121, Hewson, A. C.; Newns, D. M. J. Phys. C: Solid State Phys. 1979, 12, 1665.
41. Hewson. A. C.; Newns, D. M. Proc. 2nd Int. Conf. Solid Surfaces, 1974; Japan J. Appl. Phys. 1974, Suppl. 2, Pt. 2, 121, Hewson, A. C.; Newns, D. M. J. Phys. C: Solid State Phys. 1979, 12, 1665.
42. Mahan, G. D. Many-Particle Physics; Kluwer Academic/Plenum Publishers: New York, 2000.
43. Haug, H.; Jauho, A.-P. Quantum Kinetics in Transport and Optics of Semiconductors; Springer-Verlag; Berlin, 1996.
44. Indeed, in the Hartree approach, when we cure only about total population of the resonant level, it is possible to introduce imaginary reservoir with one effective chemical potential, which will create the same level population as two reservoirs (contacts) out of equilibrium. With such substitution the true nonequilibrium picture is reduced to an effective equilibrium one. Then we can introduce energy of the system in exactly the same way it is done in the true equilibrium case.
45. Repp, J.; Meyer, G.; Olsson, F. E.; Persson, M. Science 2004, 305, 493.
46. Gogolin, A.; Komnik, A. cond-mat/0207513 2002. Alexandrov, A. S.; Bratkovsky, M. A.; Williams, R. S. Phys. Rev. B 2003, 67, 075301. Mitra, A.; Aleiner, I.; Millis, A. J. cond-mat/0409248 2004.
47. Gogolin, A.; Komnik, A. cond-mat/0207513 2002. Alexandrov, A. S.; Bratkovsky, M. A.; Williams, R. S. Phys. Rev. B 2003, 67, 075301. Mitra, A.; Aleiner, I.; Millis, A. J. cond-mat/0409248 2004.
48. Gogolin, A.; Komnik, A. cond-mat/0207513 2002. Alexandrov, A. S.; Bratkovsky, M. A.; Williams, R. S. Phys. Rev. B 2003, 67, 075301. Mitra, A.; Aleiner, I.; Millis, A. J. cond-mat/0409248 2004.