Qualitative Insights into the Transport Properties of Molecular Electronic Devices: A Quantum Chemical Approach

Promovendus/a: Thijs Stuyver

Promotor(en): Prof. dr. em. Paul Geerlings, Prof. dr. Frank De Proft, Dr. Stijn Fias

Moleculaire elektronica, de studie van het elektrisch transport doorheen moleculen geconnecteerd in een circuit, kan beschouwd worden als de ultieme stap in de miniaturisatie van elektronische componenten en heeft aldus een groot technologisch potentieel. Het chemisch inzicht in
de transporteigenschappen van moleculen is echter nog eerder beperkt op dit moment. Dit motiveert zowel theoretische als experimentele chemici om de fenomenen die verbonden kunnen worden met elektrisch transport doorheen moleculen, en de invloed van de structuur van deze moleculen hierop, te onderzoeken.

Startende van de zogenaamde "Source-and-Sink Potential" methode op Hückel niveau, kon een uitdrukking voor de transmissiewaarschijnlijkheid van elektronen doorheen een molecule bekomen en geïnterpreteerd worden in een grafentheoretische vorm. Structuur-eigenschap relaties voor elektronisch transport doorheen moleculen werden bekomen en verbonden worden met chemische concepten. Met behulp van de afgeleide structuur-eigenschap relaties kunnen we het voorkomen van kwantuminterferentie – wat een extreem lage stroom tot gevolg heeft wanneer een kleine spanning over de molecule aangelegd wordt – voorspellen op basis van de structuur van de molecule. Daarnaast kunnen een aantal richtinggevende principes geformuleerd worden die toelaten de geleidbaarheid van moleculen naar wens af te stemmen.

Met al deze instrumenten te onzer beschikking beschouwden we doorheen deze thesis een breed gamma aan toepassingen. Zo onderzochten we de schakelmogelijkheden van een reeks licht-, redoxen
warmtegevoelige moleculen, waaronder geëxpandeerde porfyrinen. Daarnaast beschouwden we een breed gamma aan moleculaire draden en de verschillende wijzen waarop deze meer of minder geleidend
gemaakt kunnen worden. Bovendien analyseerden we de paden die de stroom volgt doorheen geconjugeerde moleculen en stelden we een strategie voor om een deel van de molecule af te sluiten voor deze stroom. Tot slot droegen we ook bij tot de verdere ontwikkeling van het "Source-and-Sink Potential" formalisme door de ontwikkeling van een programma in staat het pad van de stroom doorheen de molecule te visualiseren in de positieruimte op hogere theorieniveaus (Hartree Fock en Density Functional Theory).

Onze resultaten zullen hopelijk bijdragen tot het verschaffen van een leidraad voor experimentatoren in hun zoektocht naar optimale, functionele elektronische componenten op moleculaire schaal.