卟啉及DNA碱基对电子传递的研究

摘要

随着电子通讯技术和计算机技术等方面的飞速发展，超大规模集成电路技术对电子器件的要求越来越精巧和复杂，传统的硅基电子器件由于受到基本物理规律和制造工艺的限制而面临着严峻的挑战，分子电子学被看作是电子学可能的终极发展方向。如何发展新技术、寻找新途径，大力发展分子尺度的电子器件成为当前和今后许多学科进行研究开发的重大课题。因此对功能分子的电子输运机理、分子材料在电场下的行为进行理论方面的探讨对于分子器件的研究具有重要的意义。
　　卟啉作为具有大π共轭体系的分子具有很好的电子传递特性，但是在近十多年来，主要是针对卟啉化合物的几何结构和电子结构进行了研究，而对于金属离子对卟啉分子中电子传递的影响并没有报道。我们利用密度泛函理论（DFT）结合非平衡态格林函数方法（NEGF）对这方面进行了研究，探讨了自由卟啉和金属卟啉分子与金属电极分别进行水平连接和对角连接时，它们导电性的差异，并对分子的分子投影自洽哈密顿量（MPSH）、隧穿谱和分子轨道空间分布等方面进行了分析。结果表明，水平连接时，金属离子的加入对卟啉分子导电性的影响不大，金属离子没有改变电子的输运途径，电子主要是通过卟啉环上的共轭π键进行传递。而对角连接时，金属离子对卟啉分子导线的导电性影响较大，并且金属离子的加入改变了电子在卟啉环上的输运途径，在金属卟啉分子中存在两条电子传递途径，一条是通过卟啉环上的共轭π键进行传递，另一条是通过分子中心的金属离子。
　　DNA作为生物体遗传信息的携带者，在生命系统中具有重要的作用，近年来的研究发现这种生命分子在分子电子学领域中也具有广泛的应用。对DNA电子传递的研究不仅对于理解DNA的损伤和修复具有重要的意义，而且对研究基于DNA的分子电子器件也有指导作用。本文在HF/6-31G*//B3LYP/6-31+G**水平上研究了在不同电场极化条件下碱基对A-T(U)的几何结构和电子结构，通过DNA碱基对间氢键和碱基对结合能在电场下变化，讨论了碱基对间的质子转移。结果显示，在电场极化作用下碱基对结合能有微小变化；A-T碱基对间的两个氢键对电场极化的响应不同，当施加右向电场时N-H…N氢键增强，而左向电场下氢键强度减弱；N-H…O氢键的变化与之相反。
　　为了了解碱基对间电子横向传递的细节，我们进一步利用非平衡态格林函数方法模拟了A-U碱基对的电流-电压（I-V）曲线特性。结果表明，由于碱基对结构的不对称，导致了通过碱基对的电子输运表现出微弱的整流行为。在0.3～1.9V的偏压下，由U向A方向的电子传递更易进行，从而可以用作特殊电子器件的研究。

目录

卟啉及DNA碱基对电子传递的研究

THE RESEARCH OF ELECTRONIC TRANSPORTATION OF PORPHYRINS AND DNA BASE PAIRS

摘要

Abstract

目录

第1章 绪论

1.1课题研究的目的和意义

1.2 分子电子学的概述

1.3 分子电子器件的研究进展

1.3.1 分子导线

1.3.2 分子整流器

1.3.3 分子开关及分子存储器

1.4 生物分子与电子学

1.4.1 卟啉分子用作电子器件的研究

1.4.2 DNA分子的研究

第2章 电子传递的理论研究方法

2.1 Schr?dinger方程及三个近似[46]

2.2 Hartree-Fock-Roothaan方程

2.3 密度泛函理论

2.3.1 Thomas-Fermi 模型

2.3.2 Kohn-Sham方程

2.4 非平衡格林函数理论(Non-equilibrium Green’s function formalism, NEGF formalism)[15,47,48]

2.5 本章小结

第3章 金属卟啉电子传递的研究

3.1 分子模型与计算方法

3.1.1 分子模型

3.1.2 计算方法

3.2 卟啉及金属卟啉分子的结构分析

3.3 卟啉分子导线的电流-电压性质

3.4 分子轨道的能级分布

3.5 分子的电子隧穿谱分析

3.6 分子前线轨道的空间分布分析

3.7 P-连接时电子在分子中的传递途径

3.8 本章小结

第4章 对角连接时卟啉电子传递的研究

4.1 分子模型与计算方法

4.1.1 分子模型

4.1.2 计算方法

4.2 卟啉及金属卟啉分子的结构分析

4.3 金属卟啉分子的电流-电压的性质

4.4 分子轨道的能级分布

4.5 分子的隧穿谱分析

4.6 分子前线轨道的空间分布分析

4.7 D-连接时卟啉分子导线的电子传递途径

4.8 本章小结

第5章 电场极化作用对碱基对的影响

5.1 计算模型和方法

5.1.1 计算模型

5.1.2 计算方法

5.2 电场对氢键的影响

5.3 SCF能量和碱基对结合能

5.4 轨道分析

5.5 电流-电压性质

5.6 隧穿谱

5.7 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

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致谢