“Bridging Marcus–Landauer Transport Regimes in Orbital-Gated Molecular Junctions”

자기조립단분자막(Self-assembled monolayer, SAM)을 이용한 분자 접합에서 분자 오비탈의 에너지 준위를 전기적으로 제어하여 전하수송 메커니즘을 연속적으로 전환한 연구가 Physical Review Letters에 게재되었다. 분자 접합에서의 전하수송은 일반적으로 분자의 산화·환원 과정에 기반한 Marcus 이론과 전극 사이의 탄성 터널링을 기술하는 Landauer 형식으로 설명되어 왔으나, 실제 분자 접합은 두 극한 사이의 중간 영역에서 동작하여, 두 수송 메커니즘을 하나의 소자에서 연속적으로 관찰하고 제어하는 것이 중요한 과제로 남아 있었다. 본 연구팀에서는 산화·환원 활성을 갖는 ferrocene 작용기를 포함한 SAM과 그래핀 전극, 이온겔을 활용한 분자 트랜지스터를 통해, 하나의 분자 접합에서 Marcus-type hopping과 Landauer-type tunneling 사이의 전환을 직접 관찰하였다. 이러한 실험 결과는 다중공간 밀도범함수이론(multi-space density functional theory, MS-DFT)을 이용한 오비탈 게이팅 계산과, Marucs 이론에 유한한 분자 준위 퍼짐을 고려하는 lifetime-broadened Marcus theory(LBMT)를 통해 정량적으로 설명되었다. 본 연구는 분자 접합에서 전하수송 메커니즘이 물질에 따라 고정된 특성이 아니라 외부 게이트 전압을 통해 능동적으로 선택하고 전환할 수 있는 자유도임을 실증한 연구임에 의의가 있다.

 Charge transport in molecular junctions is commonly described by either Marcus theory which captures thermally activated hopping via redox processes or Landauer formalism which models elastic tunneling between two electrodes. However, real molecular junctions often operate in an intermediate regime between the two transport limits, requiring a comprehensive understanding. Here, we investigate orbital-gated molecular transistors fabricated by forming self-assembled monolayers of redox-active ferrocene-terminated alkanethiols on an Au bottom electrode, contacting them with a graphene top electrode and gating them through ionic media. By tuning the gate voltage to modulate the energetic alignment of the frontier molecular orbital, we observed a continuous variation of the activation energy from 3.8 to 117.8 meV. We find that the dominant transport type can be switched between Marcus-type (thermally activated) and Landauer-type (temperature-independent) behavior, as the orbital enters or exits the transmission window defined by the electrochemical potentials of the electrodes. This crossover under orbital gating is quantitatively described by the multi-space density functional theory and the lifetime-broadened Marcus theory. Our orbital-gated molecular transistors bridge the hopping-tunneling transports, providing a device-scale platform for controlling the dominant transport phenomena.

Authors: Minwoo Song^, Jongwoo Nam^, Hyemin Lee^, Changjun Lee, Donguk Kim, Ryong-Gyu Lee, Minsu Jeong, Yong-Hoon Kim*, Keehoon Kang*, and Takhee Lee* (^Equally first authors, *co-corresponding authors)

DOI: https://doi.org/10.1103/6cdn-9cnf

Published on 28 October, 2026

Link: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/6cdn-9cnf