Molecular signatures in the transport properties of molecular wire junctions: What makes a junction "molecular"?

Small

Volumn 2, Issue 2, 2006, Pages 172-181

  Troisi, Alessandro ^a,c   Ratner, Mark A ^b,d,e  

^a UNIVERSITY OF WARWICK   (United Kingdom)

^b NORTHWESTERN UNIVERSITY   (United States)

^c UNIVERSITY OF WARWICK   (United Kingdom)

^d NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES   (United States)

^e AMERICAN ACADEMY OF ARTS AND SCIENCES   (United States)

Author keywords

Break junctions; Molecular electronics; Self assembled monolayers; Single molecule studies; Tunneling

Indexed keywords

BREAK JUNCTIONS; MOLECULAR ELECTRONICS; SINGLE-MOLECULE STUDIES; TUNNELING;

ELECTRODES; GATES (TRANSISTOR); RANDOM PROCESSES; SEMICONDUCTOR JUNCTIONS; TRANSPORT PROPERTIES;

MOLECULAR DYNAMICS;

NANOMATERIAL;

CHEMICAL MODEL; CHEMICAL STRUCTURE; CHEMISTRY; CRYSTALLIZATION; ELECTRICITY; ELECTROCHEMISTRY; ELECTRODE; ELECTRON TRANSPORT; METHODOLOGY; NANOTECHNOLOGY; PARTICLE SIZE; REVIEW; ULTRASTRUCTURE;

CRYSTALLIZATION; ELECTRIC WIRING; ELECTROCHEMISTRY; ELECTRODES; ELECTRON TRANSPORT; MODELS, CHEMICAL; MODELS, MOLECULAR; NANOSTRUCTURES; NANOTECHNOLOGY; PARTICLE SIZE;

EID: 32044434206     PISSN: 16136810     EISSN: 16136829     Source Type: Journal    
DOI: 10.1002/smll.200500201     Document Type: Review

References (105)

1. D. K. James, J. M. Tour, Chem. Mater. 2004, 16, 4423.
2. R. L. McCreery, Chem. Mater. 2004, 16, 4477.
3. A. Nitzan, M. A. Ratner, Science 2003, 300, 1384.
4. C. Zhou, M. R. Deshpande, M. A. Reed, L. Jones, J. M. Tour, Appl. Phys. Lett. 1997, 71, 611.
5. C. Joachim, J. K. Gimzewski, R. R. Schlittler, C. Chavy, Phys. Rev. Lett. 1995, 74, 2102.
6. L. A. Bumm, J. J. Arnold, M. T. Cygan, T. D. Dunbar, T. P. Burgin, L. Jones, II, D. L. Allara, J. M. Tour, P. S. Weiss, Science 1996, 271, 1705.
7. M. A. Reed, C. Zhou, C. J. Muller, T. P. Burgin, J. M. Tour, Science 1997, 278, 252.
8. J. Chen, M. A. Reed, A. M. Rawlett, J. M. Tour, Science 1999, 286, 1550.
9. C. N. Lau, D. R. Stewart, R. S. Williams, M. Bockrath, Nano Lett. 2004, 4, 569.
10. D. R. Stewart, D. A. A. Ohlberg, P.A. Beck, Y. Chen, R. S. Williams, J. O. Jeppesen, K. A. Nielsen, J. F. Stoddart, Nano Lett. 2004, 4, 133.
11. C. P. Husband, S. M. Husband, J. S. Daniels, J. M. Tour, IEEE Trans. Electron Devices 2003, 50, 1865.
12. J. M. Tour, L. Cheng, D. P. Nackashi, Y. X. Yao, A. K. Flatt, S. K. St. Angelo, T. E. Mallouk, P. D. Franzon, J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 13279.
13. J. Chen, W. Wang, M. A. Reed, A. M. Rawlett, D.W. Price, J. M. Tour, Appl. Phys. Lett. 2000, 77, 1224.
14. F. R. F. Fan, J. P. Yang, L. T. Cai, D.W. Price, S. M. Dirk, D.V. Kosynkin, Y. X. Yao, A. M. Rawlett, J. M. Tour, A. J. Bard, J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 5550.
15. F. R. F. Fan, Y. X. Yao, LT. Cai, L. Cheng, J. M. Tour, A. J. Bard, J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 4035.
16. M. Galperin, M. A. Ratner, A. Nitzan, Nano Lett. 2005, 5, 125.
17. 0 ≈ 77.48 S.
18. R. C. Jaklevic, J. Lambe, Phys. Rev. Lett. 1966, 17, 1139.
19. C. J. Adkins, W. A. Phillips, J. Phys. C 1985, 18, 1313.
20. E. L. Wolf, Principles of Electron Tunneling Spectroscopy, Oxford University Press, New York, 1985.
21. K.W. Hipps, U. Mazur, J. Phys. Chem. 1993, 97, 7803.
22. B. C. Stipe, M. A. Rezaei, W. Ho, Science 1998, 280, 1732.
23. H. J. Lee, W. Ho, Science 1999, 286, 1719.
24. J. Gaudioso, L J. Lauhon, W. Ho, Phys. Rev. Lett. 2000, 85, 1918.
25. W. Y. Wang, T. Lee, I. Kretzschmar, M. A. Reed, Nano Lett. 2004, 4, 643.
26. J. G. Kushmerick, D. B. Holt, J. C.Yang, J. Naciri, M. H. Moore, R. Shashidhar, Phys. Rev. Lett. 2002, 89, 086802.
27. J. G. Kushmerick, J. Lazorcik, C. H. Patterson, R. Shashidhar, D. S. Seferos, G. C. Bazan, Nano Lett. 2004, 4, 639.
28. A. S. Blum, J. G. Kushmerick, D. P. Long, C. H. Patterson, J. C. Yang, J. C. Henderson, Y. X. Yao, J. M. Tour, R. Shashidhar, B. R. Ratna, Nat. Mater. 2005, 4, 167.
29. R. H. M. Smit, Y. Noat, C. Untiedt, N. D. Lang, M. C. van Hemert, J. M. van Ruitenbeek, Nature 2002, 419, 906.
30. J. Bonca, S. A. Trugman, Phys. Rev. Lett. 1995, 75, 2566.
31. J. Bonca, S. A. Trugman, Phys. Rev. Lett. 1997, 79, 4874.
32. E. G. Emberly, G. Kirczenow, Phys. Rev. B 2000, 61, 5740.
33. Z. G. Yu, D. L. Smith, A. Saxena, A. R. Bishop, Phys. Rev. B 1999, 59, 16001.
34. H. Ness, A. J. Fisher, Phys. Rev. Lett. 1999, 83, 452.
35. N. Mingo, K. Makoshi, Phys. Rev. Lett. 2000, 84, 3694.
36. K. Makoshi, N. Mingo, Surf. Sci. 2002, 502, 34.
37. N. Lorente, M. Persson, L. J. Lauhon, W. Ho, Phys. Rev. Lett. 2001, 86, 2593.
38. J. M. Seminario, L. E. Cordova, J. Phys. Chem. A 2004, 108, 5142.
39. B. N. J. Persson, A. Baratoff, Phys. Rev. Lett. 1987, 59, 339.
40. B. N. J. Persson, Phys. Scr. 1988, 38, 282.
41. A. Troisi, M. A. Ratner in Molecular Nanoelectronics (Eds.: M. A. Reed, T. Lee), American Scientific Publishers, 2003.
42. K. Burke, R. Car, R. Gebauer, Phys. Rev. Lett. 2005, 94, 146803.
43. A. Troisi, M. A. Ratner, A. Nitzan, J. Chem. Phys. 2003, 118, 6072.
44. A. Troisi, M. A. Ratner, Phys. Rev. B 2005, 72, 033408.
45. M. Galperin, M. A. Ratner, A. Nitzan, J. Chem. Phys. 2004, 121, 11965.
46. M. Di Ventra, S.T. Pantelides, N. D. Lang, Phys. Rev. Lett. 2000, 84, 979.
47. A. Pecchia, A. Di Carlo, Nano Lett. 2004, 4, 2109.
48. Y. C. Chen, M. Zwolak, M. Di Ventra, Nano Lett. 2005, 5, 621.
49. S. Datta, Quantum Transport, Cambridge University Press, Cambridge, 2005.
50. B. Mann, H. Kuhn, J. Appl. Phys. 1971, 42, 4398.
51. Y. C. Chen, M. Zwolak, M. Di Ventra, Nano Lett. 2004, 4, 1709.
52. We use the term phonon to mean vibrations inside the junction, including molecular modes.
53. K. S. Thygesen, K.W. Jacobsen, Phys. Rev. Lett. 2005, 94, 036807.
54. X. H. Qiu, G.V. Nazin, W. Ho, Phys. Rev. Lett. 2004, 92, 206102.
55. H. Sumi, J. Phys. Chem. B 1998, 102, 1833.
56. H. Park, J. Park, A. K. L. Lim, E. H. Anderson, A. P. Alivisatos, P. L. McEuen, Nature 2000, 407, 57.
57. L. H. Yu, Z. K. Keane, J.W. Ciszek, L. Cheng, M. P. Stewart, J. M. Tour, D. Natelson, Phys. Rev. Lett. 2004, 93, 266802.
58. A. N. Pasupathy, J. Park, C. Chang, A. V. Soldatov, S. Lebedkin, R. C. Bialczak, J.E. Grose, L. A. K. Donev, J. P. Sethna, D. C. Ralph, P. L. McEuen, Nano Lett. 2005, 5, 203.
59. N. P. Guisinger, M. E. Greene, R. Basu, A. S. Baluch, M. C. Hersam, Nano Lett. 2004, 4, 55.
60. D. P. Long, C. H. Patterson, M. H. Moore, D. S. Seferos, G. C. Bazan, J. G. Kushmerick, Appl. Phys. Lett. 2005, 86, 153105.
61. C. P. Collier, G. Mattersteig, E. W. Wong, Y. Luo, K. Beverly, J. Sampaio, F. M. Raymo, J. F. Stoddart, J. R. Heath, Science 2000, 289, 1172.
62. C. P. Collier, J. O. Jeppesen, Y. Luo, J. Perkins, E.W. Wong, J. R. Heath, J. F. Stoddart, J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 12632.
63. Y. Luo, C. P. Collier, J. O. Jeppesen, K. A. Nielsen, E. Delonno, G. Ho, J. Perkins, H. R. Tseng, T. Yamamoto, J. F. Stoddart, J. R. Heath, ChemPhysChem 2002, 3, 519.
64. A. H. Flood, A. J. Peters, S.A. Vignon, D.W. Steuerman, H. R. Tseng, S. Kang, J. R. Heath, J. F. Stoddart, Chem. Eur. J. 2004, 10, 6558.
65. B. L. E. Feringa, Molecular Switches, Wiley-VCH, Weinheim, 2001.
66. J. F. Stoddart, Acc. Chem. Res. 2001, 34, 410.
67. W. Q. Deng, R. P. Muller, W. A. Goddard, J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 13562.
68. Z. J. Donhauser, B. A. Mantooth, K. F. Kelly, L. A. Bumm, J. D. Monnell, J. J. Stapleton, D.W. Price Jr, A.M. Rawlett, D. L. Allara, J. M. Tour, P. S. Weiss, Science 2001, 292, 2303.
69. A. M. Rawlett, T. J. Hopson, L. A. Nagahara, R. K. Tsui, G. K. Ramachandran, S. M. Lindsay, Appl. Phys. Lett. 2002, 81, 3043.
70. M. A. Reed, J. Chen, A. M. Rawlett, D.W. Price, J. M. Tour, Appl. Phys. Lett. 2001, 78, 3735.
71. G. K. Ramachandran, T. J. Hopson, A.M. Rawlett, LA. Nagahara, A. Primak, S. M. Lindsay, Science 2003, 300, 1413.
72. R. A. Wassel, R. R. Fuierer, N. J. Kim, C. B. German, Nano Lett. 2003, 3, 1617.
73. M. Mayor, M. Buschel, K. M. Fromm, J. M. Lehn, J. Daub, Chem. Eur. J. 2001, 7, 1266.
74. M. Mayor, H. B. Weber, J. Reichert, M. Elbing, C. von Hanisch, D. Beckmann, M. Fischer, Angew. Chem. 2003, 115, 6014;
75. Angew. Chem. Int. Ed. 2003, 42, 5834.
76. The idea of using silicon as a substrate for the molecular component of the device is particularly appealing because the surface chemistry of Si is well defined, and well controlled (see for example R. J. Hamers, S. K. Coulter, M. D. Ellison, J. S. Hovis, D. F. Padowitz, M. P. Schwartz, C. M. Greenlief, J. N. Russell, Acc. Chem. Res. 2000, 33, 617
77. and R. A. Wolkow, Ann. Rev. Phys. Chem. 1999, 50, 413).
78. The existence of a bandgap in Si, the role of doping, the importance of surface states make the study of the transport in Si/molecule electrode junctions more complicated but potentially very interesting. See for example N. P. Guisinger, M. E. Greene, R. Basu, A. S. Baluch, M. C. Hersam, Nano Letters 2004, 4, 55, and also Ref. [59].
79. F. Jacket, M. D. Watson, K. Mullen, J. P. Rabe, Phys. Rev. Lett. 2004, 92, 188303.
80. M. Irie, T. Fukaminato, T. Sasaki, N. Tamai, T. Kawai, Nature 2002, 420, 759.
81. D. Dulic, S. J. van der Molen, T. Kudernac, H. T. Jonkman, J. J. D. de Jong, T. N. Bowden, J. van Esch, B. L. Feringa, B. J. van Wees, Phys. Rev. Lett. 2003, 91, 207402.
82. S. Alavi, R. Rousseau, S. N. Patitsas, G. P. Lopinski, R. A. Wolkow, T. Seideman, Phys. Rev. Lett. 2000, 85, 5372.
83. B.C. Stipe, M. A. Rezaei, W. Ho, S. Gao, M. Persson, B.I. Lundqvist, Phys. Rev. Lett. 1997, 78, 4410.
84. K. Terabe, T. Hasegawa, T. Nakayama, M. Aono, Nature 2005, 433, 47.
85. A. Troisi, M. A. Ratner, J. Am. Chem. Soc. 2002, 224, 14528.
86. P. E. Kornilovitch, A. M. Bratkovsky, R. S. Williams, Phys. Rev. B 2002, 66, 245413.
87. A. Troisi, M. A. Ratner, Nano Lett. 2004, 4, 591.
88. A.W. Ghosh, T. Rakshit, S. Datta, Nano Lett. 2004, 4, 565.
89. S. Yasuda, T. Nakamura, M. Matsumoto, H. Shigekawa, J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 16430.
90. P.A. Lewis, C. E. Inman, Y. X. Yao, J. M. Tour, J. E. Hutchison, P. S. Weiss, J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 12 214.
91. X. H. Qiu, G.V. Nazin, W. Ho, Phys. Rev. Lett. 2004, 93, 196806.
92. S. N. Yaliraki, M. Kemp, M. A. Ratner, J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 3428.
93. S. H. Ke, H. U. Baranger, W.T. Yang, J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 15897.
94. J. Nara, W.T. Geng, H. Kino, N. Kobayashi, T. Ohno, J. Chem. Phys. 2004, 121, 6485.
95. H. Basen, M. A. Ratner, J. Chem. Phys. 2004, 120, 5771.
96. Y. Luo, C. K. Wang, Y. Fu, J. Chem. Phys. 2002, 117, 10283.
97. R. Rigler, M. Orrit, T. E. Basche, Single Molecule Spectroscopy, Springer, Berlin, 2002.
98. B. Q. Xu, N. J. Tao, Science 2003, 301, 1221.
99. X.Y. Xiao, B. Q. Xu, N. J. Tao, Nano Lett. 2004, 4, 267.
100. J. I. Pascual, J. Mendez, J. GomezHerrero, A. M. Baro, N. Garcia, V.T. Binh, Phys. Rev. Lett. 1993, 71, 1852.
101. B. Q. Xu, X. Y. Xiao, X. M. Yang, L. Zang, N. J. Tao, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 2386.
102. J. Reichert, R. Ochs, D. Beckmann, H. B. Weber, M. Mayor, H. von Lohneysen, Phys. Rev. Lett. 2002, 88, 176804.
103. X. H. Lu, M. Grobis, K. H. Khoo, S. G. Louie, M. F. Crommie, Phys. Rev. Lett. 2003, 90, 096802.
104. Y. Chen, G. Y. Jung, D. A. A. Ohlberg, X. M. Li, D. R. Stewart, J. O. Jeppesen, K. A. Nielsen, J. F. Stoddart, R. S. Williams, Nano-technology 2003, 14, 462.
105. G and T. As suggested in Section 3, other parameters including the thermal energy, the on-molecule coulomb repulsion, and the vibronic coupling strength will also be involved in determining the transport mechanistic regimes.