Charge transport through molecular junctions is often described either as a purely coherent or a purely classical phenomenon, and described using the Landauer–Büttiker formalism or Marcus theory (MT), respectively. Using a generalised quantum master equation, we here derive an expression for current through a molecular junction modelled as a single electronic level coupled with a collection of thermalised vibrational modes. We demonstrate that the aforementioned theoretical approaches can be viewed as two limiting cases of this more general expression and present a series of approximations of this result valid at higher temperatures. We find that MT is often insufficient in describing the molecular charge transport characteristics and gives rise to a number of artefacts, especially at lower temperatures. Alternative expressions, retaining its mathematical simplicity, but rectifying those shortcomings, are suggested. In particular, we show how lifetime broadening can be consistently incorporated into MT, and we derive a low-temperature correction to the semi-classical Marcus hopping rates. Our results are applied to examples building on phenomenological as well as microscopically motivated electron-vibrational coupling. We expect them to be particularly useful in experimental studies of charge transport through single-molecule junctions as well as self-assembled monolayers.

1.
A.
Nitzan
and
M. A.
Ratner
,
Science
300
,
1384
(
2003
).
2.
S. V.
Aradhya
and
L.
Venkataraman
,
Nat. Nanotechnol.
8
,
399
(
2013
).
3.
X.
Cui
,
A.
Primak
,
X.
Zarate
,
J.
Tomfohr
,
O.
Sankey
,
A.
Moore
,
T.
Moore
,
D.
Gust
,
G.
Harris
, and
S.
Lindsay
,
Science
294
,
571
(
2001
).
4.
L.
Venkataraman
,
J. E.
Klare
,
C.
Nuckolls
,
M. S.
Hybertsen
, and
M. L.
Steigerwald
,
Nature
442
,
904
(
2006
).
5.
B.
Stipe
,
M.
Rezaei
, and
W.
Ho
,
Science
280
,
1732
(
1998
).
6.
G.
Sedghi
,
V. M.
García-Suárez
,
L. J.
Esdaile
,
H. L.
Anderson
,
C. J.
Lambert
,
S.
Martín
,
D.
Bethell
,
S. J.
Higgins
,
M.
Elliott
,
N.
Bennett
 et al.,
Nat. Nanotechnol.
6
,
517
(
2011
).
7.
M. A.
Reed
,
C.
Zhou
,
C.
Muller
,
T.
Burgin
, and
J.
Tour
,
Science
278
,
252
(
1997
).
8.
T.
Böhler
,
J.
Grebing
,
A.
Mayer-Gindner
,
H. v.
Löhneysen
, and
E.
Scheer
,
Nanotechnology
15
,
S465
(
2004
).
9.
M. L.
Perrin
,
R.
Frisenda
,
M.
Koole
,
J. S.
Seldenthuis
,
J. A. C.
Gil
,
H.
Valkenier
,
J. C.
Hummelen
,
N.
Renaud
,
F. C.
Grozema
,
J. M.
Thijssen
 et al.,
Nat. Nanotechnol.
9
,
830
(
2014
).
10.
H.
Park
,
J.
Park
,
A. K.
Lim
,
E. H.
Anderson
,
A. P.
Alivisatos
, and
P. L.
McEuen
,
Nature
407
,
57
(
2000
).
11.
H. S.
van der Zant
,
Y.-V.
Kervennic
,
M.
Poot
,
K.
O’Neill
,
Z.
de Groot
,
J. M.
Thijssen
,
H. B.
Heersche
,
N.
Stuhr-Hansen
,
T.
Bjørnholm
,
D.
Vanmaekelbergh
 et al.,
Faraday Discuss.
131
,
347
(
2006
).
12.
F.
Prins
,
A.
Barreiro
,
J. W.
Ruitenberg
,
J. S.
Seldenthuis
,
N.
Aliaga-Alcalde
,
L. M.
Vandersypen
, and
H. S.
van der Zant
,
Nano Lett.
11
,
4607
(
2011
).
13.
J. A.
Mol
,
C. S.
Lau
,
W. J.
Lewis
,
H.
Sadeghi
,
C.
Roche
,
A.
Cnossen
,
J. H.
Warner
,
C. J.
Lambert
,
H. L.
Anderson
, and
G. A. D.
Briggs
,
Nanoscale
7
,
13181
(
2015
).
14.
P.
Gehring
,
J. K.
Sowa
,
J.
Cremers
,
Q.
Wu
,
H.
Sadeghi
,
Y.
Sheng
,
J. H.
Warner
,
C. J.
Lambert
,
G. A. D.
Briggs
, and
J. A.
Mol
,
ACS Nano
11
,
5325
(
2017
).
15.
E.
Burzurí
,
J. O.
Island
,
R.
Díaz-Torres
,
A.
Fursina
,
A.
González-Campo
,
O.
Roubeau
,
S. J.
Teat
,
N.
Aliaga-Alcalde
,
E.
Ruiz
, and
H. S.
van der Zant
,
ACS Nano
10
,
2521
(
2016
).
16.
C.
Jia
,
A.
Migliore
,
N.
Xin
,
S.
Huang
,
J.
Wang
,
Q.
Yang
,
S.
Wang
,
H.
Chen
,
D.
Wang
,
B.
Feng
 et al.,
Science
352
,
1443
(
2016
).
17.
C.
Jia
,
J.
Wang
,
C.
Yao
,
Y.
Cao
,
Y.
Zhong
,
Z.
Liu
,
Z.
Liu
, and
X.
Guo
,
Angew. Chem.
52
,
8666
(
2013
).
18.
Q.
Xu
,
G.
Scuri
,
C.
Mathewson
,
P.
Kim
,
C.
Nuckolls
, and
D.
Bouilly
,
Nano Lett.
17
,
5335
(
2017
).
19.
M.
Galperin
,
M. A.
Ratner
, and
A.
Nitzan
,
J. Phys.: Condens. Matter
19
,
103201
(
2007
).
20.
A.
Riss
,
S.
Wickenburg
,
L. Z.
Tan
,
H.-Z.
Tsai
,
Y.
Kim
,
J.
Lu
,
A. J.
Bradley
,
M. M.
Ugeda
,
K. L.
Meaker
,
K.
Watanabe
 et al.,
ACS Nano
8
,
5395
(
2014
).
21.
S.
Braig
and
K.
Flensberg
,
Phys. Rev. B
68
,
205324
(
2003
).
22.
K.
Flensberg
,
Phys. Rev. B
68
,
205323
(
2003
).
23.
J.
Koch
and
F.
von Oppen
,
Phys. Rev. Lett.
94
,
206804
(
2005
).
24.
J.
Koch
,
F.
von Oppen
, and
A.
Andreev
,
Phys. Rev. B
74
,
205438
(
2006
).
25.
R.
Härtle
and
M.
Thoss
,
Phys. Rev. B
83
,
125419
(
2011
).
26.
R.
Härtle
and
M.
Thoss
,
Phys. Rev. B
83
,
115414
(
2011
).
27.
M.
Galperin
,
M. A.
Ratner
, and
A.
Nitzan
,
Nano Lett.
5
,
125
(
2005
).
28.
A.
Zazunov
,
D.
Feinberg
, and
T.
Martin
,
Phys. Rev. B
73
,
115405
(
2006
).
29.
M.
Kilgour
and
D.
Segal
,
J. Chem. Phys.
143
,
024111
(
2015
).
30.
S. H.
Choi
,
C.
Risko
,
M. C. R.
Delgado
,
B.
Kim
,
J.-L.
Brédas
, and
C. D.
Frisbie
,
J. Am. Chem. Soc.
132
,
4358
(
2010
).
31.
D.
Taherinia
,
C. E.
Smith
,
S.
Ghosh
,
S. O.
Odoh
,
L.
Balhorn
,
L.
Gagliardi
,
C. J.
Cramer
, and
C. D.
Frisbie
,
ACS Nano
10
,
4372
(
2016
).
32.
D.
Segal
and
A.
Nitzan
,
Chem. Phys.
281
,
235
(
2002
).
33.
A.
Nitzan
,
Chemical Dynamics in Condensed Phases: Relaxation, Transfer and Reactions in Condensed Molecular Systems
(
Oxford University Press
,
2006
).
34.
J.
Repp
,
P.
Liljeroth
, and
G.
Meyer
,
Nat. Phys.
6
,
975
(
2010
).
35.
E. A.
Osorio
,
M.
Ruben
,
J. S.
Seldenthuis
,
J. M.
Lehn
, and
H. S.
van der Zant
,
Small
6
,
174
(
2010
).
36.
A.
Pasupathy
,
J.
Park
,
C.
Chang
,
A.
Soldatov
,
S.
Lebedkin
,
R.
Bialczak
,
J.
Grose
,
L.
Donev
,
J.
Sethna
,
D.
Ralph
 et al.,
Nano Lett.
5
,
203
(
2005
).
37.
D.
Secker
,
S.
Wagner
,
S.
Ballmann
,
R.
Härtle
,
M.
Thoss
, and
H. B.
Weber
,
Phys. Rev. Lett.
106
,
136807
(
2011
).
38.
M.
Esposito
and
M.
Galperin
,
Phys. Rev. B
79
,
205303
(
2009
).
39.
H.
Wang
,
I.
Pshenichnyuk
,
R.
Härtle
, and
M.
Thoss
,
J. Chem. Phys.
135
,
244506
(
2011
).
40.
A. J.
White
and
M.
Galperin
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
14
,
13809
(
2012
).
41.
C.
Schinabeck
,
A.
Erpenbeck
,
R.
Härtle
, and
M.
Thoss
,
Phys. Rev. B
94
,
201407
(
2016
).
42.
W.
Dou
,
C.
Schinabeck
,
M.
Thoss
, and
J. E.
Subotnik
,
J. Chem. Phys.
148
,
102317
(
2018
).
43.
N. A.
Zimbovskaya
,
J. Chem. Phys.
126
,
184901
(
2007
).
44.
R.
Gutiérrez
,
S.
Mandal
, and
G.
Cuniberti
,
Phys. Rev. B
71
,
235116
(
2005
).
45.
H.
Kim
and
D.
Segal
,
J. Chem. Phys.
146
,
164702
(
2017
).
46.
J. K.
Sowa
,
J. A.
Mol
,
G. A. D.
Briggs
, and
E. M.
Gauger
,
Phys. Rev. B
95
,
085423
(
2017
).
47.
N. A.
Zimbovskaya
and
A.
Nitzan
,
J. Chem. Phys.
148
,
024303
(
2018
).
48.
R.
Härtle
,
C.
Benesch
, and
M.
Thoss
,
Phys. Rev. Lett.
102
,
146801
(
2009
).
49.
F.-R. F.
Fan
,
J.
Yang
,
L.
Cai
,
D. W.
Price
,
S. M.
Dirk
,
D. V.
Kosynkin
,
Y.
Yao
,
A. M.
Rawlett
,
J. M.
Tour
, and
A. J.
Bard
,
J. Am. Chem. Soc.
124
,
5550
(
2002
).
50.
J. C.
Love
,
L. A.
Estroff
,
J. K.
Kriebel
,
R. G.
Nuzzo
, and
G. M.
Whitesides
,
Chem. Rev.
105
,
1103
(
2005
).
51.
Y.
Dubi
,
J. Phys. Chem. C
118
,
21119
(
2014
).
52.
I.
Lang
and
Y. A.
Firsov
,
Sov. Phys. JETP
16
,
1301
(
1963
).
53.
G. D.
Mahan
,
Many-Particle Physics
(
Springer Science & Business Media
,
2013
).
54.
S. M.
Barnett
and
P. M.
Radmore
,
Methods in Theoretical Quantum Optics
(
Oxford University Press
,
2002
), Vol. 15.
56.
M.
Esposito
and
M.
Galperin
,
J. Phys. Chem. C
114
,
20362
(
2010
).
57.
J.
Jin
,
J.
Li
,
Y.
Liu
,
X.-Q.
Li
, and
Y.
Yan
,
J. Chem. Phys.
140
,
244111
(
2014
).
58.
D.
Malz
and
A.
Nunnenkamp
,
Phys. Rev. B
97
,
165308
(
2018
).
59.
M.
Galperin
,
A.
Nitzan
, and
M. A.
Ratner
,
Phys. Rev. B
73
,
045314
(
2006
).
60.
M.
Leijnse
and
M.
Wegewijs
,
Phys. Rev. B
78
,
235424
(
2008
).
61.
J. K.
Sowa
,
J. A.
Mol
,
G. A. D.
Briggs
, and
E. M.
Gauger
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
19
,
29534
(
2017
).
62.
C.
Flindt
,
T.
Novotnỳ
, and
A.-P.
Jauho
,
Europhys. Lett.
69
,
475
(
2004
).
63.
N. S.
Wingreen
,
K. W.
Jacobsen
, and
J. W.
Wilkins
,
Phys. Rev. B
40
,
11834
(
1989
).
64.
A.-P.
Jauho
,
N. S.
Wingreen
, and
Y.
Meir
,
Phys. Rev. B
50
,
5528
(
1994
).
65.
L.
Glazman
and
R.
Shekhter
,
Sov. Phys. JETP
67
,
163
(
1988
).
66.
C. S.
Lau
,
H.
Sadeghi
,
G.
Rogers
,
S.
Sangtarash
,
P.
Dallas
,
K.
Porfyrakis
,
J.
Warner
,
C. J.
Lambert
,
G. A. D.
Briggs
, and
J. A.
Mol
,
Nano Lett.
16
,
170
(
2015
).
67.
S.
Wu
,
G.
Nazin
,
X.
Chen
,
X.
Qiu
, and
W.
Ho
,
Phys. Rev. Lett.
93
,
236802
(
2004
).
68.
R.
Volkovich
,
R.
Härtle
,
M.
Thoss
, and
U.
Peskin
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
13
,
14333
(
2011
).
69.
J. S.
Seldenthuis
,
H. S.
Van Der Zant
,
M. A.
Ratner
, and
J. M.
Thijssen
,
ACS Nano
2
,
1445
(
2008
).
70.
V.
Barone
,
J.
Bloino
,
M.
Biczysko
, and
F.
Santoro
,
J. Chem. Theory Comput.
5
,
540
(
2009
).
71.
F.
Duschinsky
,
Acta Physicochim. URSS
7
,
551
(
1937
).
72.
J.
Roden
,
W. T.
Strunz
,
K. B.
Whaley
, and
A.
Eisfeld
,
J. Chem. Phys.
137
,
204110
(
2012
).
73.

Throughout this section, we have used a significantly smaller Γ (1 meV) than extracted in Ref. 15. Using the latter value (10 meV) washes away the vibrational features of the kind reported in Ref. 15.

74.
D.
Gelbwaser-Klimovsky
,
A.
Aspuru-Guzik
,
M.
Thoss
, and
U.
Peskin
,
Nano Lett.
18
,
4727
(
2018
).
75.
J. K.
Sowa
,
J. A.
Mol
,
G. A. D.
Briggs
, and
E. M.
Gauger
,
J. Phys. Chem. Lett.
9
,
1859
(
2018
).
76.
H.-P.
Breuer
and
F.
Petruccione
,
The Theory of Open Quantum Systems
(
Oxford University Press
,
2002
).
77.
V.
May
and
O.
Kühn
,
Charge and Energy Transfer Dynamics in Molecular Systems
(
John Wiley & Sons
,
2008
).
78.
R. A.
Marcus
and
N.
Sutin
,
Biochim. Biophys. Acta
811
,
265
(
1985
).
79.
R. A.
Marcus
,
J. Chem. Phys.
24
,
966
(
1956
).
81.
Y.
Zeng
,
R. B.
Smith
,
P.
Bai
, and
M. Z.
Bazant
,
J. Electroanal. Chem.
735
,
77
(
2014
).
82.
H.
Finklea
,
K.
Yoon
,
E.
Chamberlain
,
J.
Allen
, and
R.
Haddox
,
J. Phys. Chem. B
105
,
3088
(
2001
).
83.
M. C.
Henstridge
,
E.
Laborda
,
N. V.
Rees
, and
R. G.
Compton
,
Electrochim. Acta
84
,
12
(
2012
).
84.
A.
Migliore
and
A.
Nitzan
,
J. Am. Chem. Soc.
135
,
9420
(
2013
).
85.
A.
Migliore
,
P.
Schiff
, and
A.
Nitzan
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
14
,
13746
(
2012
).
86.
A. M.
Kuznetsov
and
I. G.
Medvedev
,
Phys. Rev. B
78
,
153403
(
2008
).
87.
A. M.
Kuznetsov
,
I. G.
Medvedev
, and
J.
Ulstrup
,
J. Chem. Phys.
131
,
164703
(
2009
).
88.
L.
Yuan
,
L.
Wang
,
A. R.
Garrigues
,
L.
Jiang
,
H. V.
Annadata
,
M. A.
Antonana
,
E.
Barco
, and
C. A.
Nijhuis
,
Nat. Nanotechnol.
13
,
322
(
2018
).
89.
P. R.
Bueno
,
T. A.
Benites
, and
J. J.
Davis
,
Sci. Rep.
6
,
18400
(
2016
).
90.
A.
Migliore
and
A.
Nitzan
,
ACS Nano
5
,
6669
(
2011
).
91.
J. O.
Thomas
,
B.
Limburg
,
J. K.
Sowa
,
K.
Willick
,
J.
Baugh
,
G. A. D.
Briggs
,
E. M.
Gauger
,
H. L.
Anderson
, and
J. A.
Mol
, “
Environment-Dependent Electron Transfer in Single-Porphyrin Transistors
” (unpublished).
92.
N. J.
Kay
,
S. J.
Higgins
,
J. O.
Jeppesen
,
E.
Leary
,
J.
Lycoops
,
J.
Ulstrup
, and
R. J.
Nichols
,
J. Am. Chem. Soc.
134
,
16817
(
2012
).
93.
J.
Zhang
,
A. M.
Kuznetsov
,
I. G.
Medvedev
,
Q.
Chi
,
T.
Albrecht
,
P. S.
Jensen
, and
J.
Ulstrup
,
Chem. Rev.
108
,
2737
(
2008
).
94.
B.
Capozzi
,
Q.
Chen
,
P.
Darancet
,
M.
Kotiuga
,
M.
Buzzeo
,
J. B.
Neaton
,
C.
Nuckolls
, and
L.
Venkataraman
,
Nano Lett.
14
,
1400
(
2014
).
95.
B.
Choi
,
B.
Capozzi
,
S.
Ahn
,
A.
Turkiewicz
,
G.
Lovat
,
C.
Nuckolls
,
M. L.
Steigerwald
,
L.
Venkataraman
, and
X.
Roy
,
Chem. Sci.
7
,
2701
(
2016
).
96.
V.
Fatemi
,
M.
Kamenetska
,
J.
Neaton
, and
L.
Venkataraman
,
Nano Lett.
11
,
1988
(
2011
).
97.
D. C.
Milan
,
O. A.
Al-Owaedi
,
M.-C.
Oerthel
,
S.
Marqués-González
,
R. J.
Brooke
,
M. R.
Bryce
,
P.
Cea
,
J.
Ferrer
,
S. J.
Higgins
,
C. J.
Lambert
 et al.,
J. Phys. Chem. C
120
,
15666
(
2015
).
98.
S.
Fatayer
,
B.
Schuler
,
W.
Steurer
,
I.
Scivetti
,
J.
Repp
,
L.
Gross
,
M.
Persson
, and
G.
Meyer
,
Nat. Nanotechnol.
13
,
376
(
2018
).
99.
N. A.
Zimbovskaya
,
Transport Properties of Molecular Junctions
(
Springer
,
2013
), Vol. 254.
100.
M.
Galperin
,
A.
Nitzan
, and
M. A.
Ratner
,
Mol. Phys.
106
,
397
(
2008
).
101.
A.
Mitra
,
I.
Aleiner
, and
A.
Millis
,
Phys. Rev. B
69
,
245302
(
2004
).
You do not currently have access to this content.