半导体表面导电分子线的生长机理与电磁性质研究

摘要

随着人们对计算能力要求的不断提高，电子器件的尺寸越来越小，速度越来越快，逐渐发展为分子电子器件。其中，一维分子线因其独特的力学性质、电学性质和磁性质等成为分子电子器件中一种重要的构建单元。如何使分子线稳定地与半导体表面结合的同时保持分子线本身的电磁性质非常关键。近年来，无论是实验上还是理论上对一维分子线在半导体衬底上的结合机制及电磁性质的调控等方面的研究都取得了一定的进展。本论文基于第一性原理的密度泛函理论计算，研究了一维分子线及其在半导体硅/锗衬底上的电磁性质，利用有机分子在表面的选择性吸附和自组装机制，提出了几种在半导体表面制备分子线的可能方法，并在理论上证明了通过掺杂和外加电场等手段可以调控其在半导体表面上的电磁性质。主要研究内容如下:
　　1)通过表面聚合反应在H-Si(001)-2×1表面制备导电分子线。如何将导电分子线稳定地钉扎在半导体衬底上是分子线走向应用首先要解决的难题。针对这一难题，我们提出了一种分两步在H-Si(001)-2×1表面制备HPyMB导电分子线的方法。第一步，HPyMB分子通过吡啶环选择性吸附在H-Si(001)-2×1表面[110]取向的Si悬挂键上;第二步，吸附的HPyMB通过分子间脱水反应聚合形成分子线。我们的计算表明，HPyMB分子能够通过形成Si-N共价键稳定地吸附在Si表面，形成的分子线/衬底结构是金属性的，但导电能力很差，通过空穴掺杂可以提高其导电性。该分子线是其唯一的导电通道，且体系的电子性质对外电场不敏感，这有利于其在实际中的应用。
　　2)1，3，5-三乙炔苯在H-Si(100)-2×1表面自组装及通过与CO的表面聚合反应制备表面导电聚合物。我们提出了利用炔烃分子在H-Si(100)-2×1表面通过自组装进一步形成表面聚合物的机制。研究表明，1，3，5-三乙炔苯(TEB)分子首先在H-Si(100)-2×1表面形成沿着[011]方向的一维分子阵列，然后通过连接在表面的分子与CO发生分子间[2+2+1]加成反应聚合形成分子线。这种分子线/Si(100)-2×1结构本身具有半导体性质，且通过电子掺杂能够将其转变为金属，与我们研究的其它的分子线/半导体组合一样，分子线的能带穿过费米面，提供导电通道，而Si衬底能够保持它本身的半导体性质。
　　3)利用分子自组装和表面聚合反应在H-Si(100)-2×1表面制备导电聚噻吩。聚噻吩在电致发光，化学传感器等方面有着广泛的应用前景，但如何在半导体表面高效制备聚噻吩仍是当前的一个挑战。利用烯烃在H-Si(100)-2×1表面的自组装反应机制，我们研究了不同长度的噻吩取代的链状烯烃分子(H2C=CH-(CH2)n-thiophene)在H钝化的Si(100)-2×1或Ge(100)-2×1表面形成一维分子阵列的机理。研究表明，当H2C=CH-(CH2)n-thiophene分子在表面形成分子阵列后，噻吩环并列位于分子阵列顶端，一旦噻吩环中引入游离基，相邻的噻吩可以聚合形成聚噻吩，进一步形成生长在半导体表面的聚烷烃噻吩-Si/Ge(100)-2×1结构。像大多数的导电聚合物一样，聚烷烃噻吩-Si/Ge(100)-2×1为半导体，且可以通过空穴掺杂或施加外电场调节使其具有导电性。更重要的是，衬底和连接在表面的聚合物都能够保持它们各自的电子性质，并且聚噻吩链是唯一的导电通道，因此能够有效的防止发生漏电现象。
　　4)[EuCOTB]∞三明治分子线及H-Ge(001)-2×1表面对分子线电磁性质的影响。镧系有机金属三明治化合物由于具有高的稳定性和磁矩，在自旋电子器件上有很大的应用前景。基于第一性原理计算，我们系统地研究了镧系金属Eu和B掺杂的环辛四烯基(COTB)形成的三明治分子线的结构以及电磁性质，并进一步研究了半导体Ge衬底对分子线电磁性质的影响。计算表明，一方面，COT配体中B掺杂能够大大提高分子线的结构稳定性和自旋稳定性;另一方面，配体中B掺杂能显著地调节分子线的电子性质:一维[EuCOTB]∞和[Eu-COTB-Eu-COT]∞分别为金属和半金属材料。半导体衬底对[EuCOTB]∞和[Eu-COTB-Eu-COT]∞分子线磁性质的影响较小，支撑在H-Ge(001)-2×1表面后两种分子线仍表现为铁磁性，且都具有导电性。特别是[Eu-COTB-Eu-COT]/Ge(001)表现出准半金属性质，在适当的外电场作用下，可以变为完全的半金属，而Ge保持自身的半导体性质。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 分子电子学的发展

1．2 半导体重构表面

1．2．1 Si(100)-2×1表面

1．2．2 Si(111)-7×7表面

1．3 Si(100)-2×1表面自组装分子阵列

1．4 本论文的主要研究内容

参考文献

第二章 理论方法

2．1 两种近似

2．1．1 Born-Oppenheimer绝热近似

2．1．2 Hartree-Fock近似

2．2 密度泛函理论(DFT)

2．2．2 Hohenberg-Kohn定理

2．2．3 Kohn-Sham方程

2．2．4 交换关联泛函

2．2．5 赝势

2．3 VASP软件包

参考文献

第三章 通过表面聚合反应在Si(001)表面制备导电分子线

3．1 引言

3．2 计算模型和方法

3．3 结果与讨论

3．5 本章小结

参考文献

第四章 1，3，5-三乙炔苯在Si(100)-2×1表面自组装及通过与CO的表面聚合反应制备表面导电聚合物

4．1 引言

4．2 计算模型和方法

4．3 结果与讨论

4．4 本章小结

参考文献

第五章 利用分子自组装和表面聚合反应在H-Si(100)-2×1表面制备导电聚噻吩分子线

5．1 引言

5．2 计算模型和方法

5．3 结果与讨论

5．4 本章小结

参考文献

第六章 [EuCOTB]∞三明治分子线及H-Ge(001)-2×1表面对分子线电磁性质的影响

6．1 引言

6．2 计算模型和方法

6．3 结果与讨论

6．3．2 一维[EuCOTB]∞分子线的结构和电磁性质

6．3．3 一维[Eu-COTB-Eu-COT]∞分子线的结构和电磁性质

6．3．4 [EuCoTB]／Ge(001)和[Eu-COTB-Eu-COT]／Ge(001)

6．4 本章小结

参考文献

第七章 论文总结和展望

致谢

攻读博士学位期间已发表和待发表论文