二嵌段分子整流器的电荷输运性质及调控机理的理论研究

摘要

随着信息技术的快速发展，量子效应在半导体集成电路中越来越不容忽视，逐渐成为其中电荷输运的主导效应。微电子学在传统工艺的基础上设计制造集成度更高、性能更优异的电路时，将会面临越来越大的困难，这将使得整个信息技术产业面临硬件层面的停滞。要延续当前集成电路的发展趋势（Moore定律），探索新的技术路线势在必行，而科学界所公认的最具可行性的路线之一就是发展分子电子学——用分子官能团来构建功能器件，组成电路，最终实现“自下而上”自组装地“生长”集成电路。
　　 近30年间，随着STM、MCBJ、AFM、SAM、C60、CNT、Graphene等实验技术和材料的相继问世，分子电子学已经由早期的理论预言发展成为一个规模庞大、成果丰富、涉及物理学、化学、材料科学以及生命科学等领域的交叉学科。在众多实验和理论研究热点中，分子整流效应与分子整流器一直以来受到极大地关注，成为最热门的问题之一。
　　 本文首先回顾了IT技术与分子电子学的发展历程，简述了三种分子整流器模型机理与特点，然后简要阐述了本文理论研究所用的理论模型与方法，包括:SSH哈密顿量、格林函数方法、SSH+NEGF方法、第一性原理计算方法。针对文献中实验观测到的分子整流器，采用上述方法分三部分进行了讨论:
　　 一、针对Yu研究组在Au(111)/2Ph2Py/Au(STM Tip)分子整流器的研究，采用SSH+NEGF方法，建立沿电荷输运方向的准一维分子结模型。成功的模拟再现了实验中的分子整流器，讨论分子结的整流机理。然后通过调整参数，模拟对分子结中的电子—晶格相互作用的调制，来实现对分子的电偶极矩的改变，最终可以实现对分子结中的电荷输运性质的调制。发现当分子结的电子—晶格相互作用增强时，分子的电偶极矩近乎线性的下降，进而发现分子结的正向开启偏压随电偶极矩增大而近线性的下降。
　　 二、针对Whitesides研究组基于SAM技术和导电AFM技术的Ag/HSC11 Fc/GaIn分子结实验，采用基于DFT+NEGF方法进行了模拟。为了证明分子结的整流效应是HSC11Fc分子内禀属性，我们建立了一系列具有对称电极的Au(111)/HSCnFc/Au(111)(n=11，9，7)分子结，并在其中发现明显的整流现象，得到HSC11Fc的整流比RR11～100，而HSC9Fc的整流比RR9＜10，这与实验结果符合得很好。我们发现此分子结满足π-σ模型。通过对Whitesides的模型进行修正，成功地解释了在n=11的分子结的整流比明显大于n=9和7的原因。同时指出只有当分子结足够长时，才能有很大的整流比。虽然此类分子结有出色的整流效果，但是，分子结中包含较长的饱和烷链，因而电导率过低，使得开启后的电流仍然太小。所以，我们设计并模拟了由四联苯构成的分子结，通过施加不对称门电压来实现的可控整流方向的分子晶体管。
　　 三、通过DFT+NEGF的方法，改变分子结中的发子构象，更为形象具体地展现了分子结中电子—晶格相互作用对π共轭分子整流器中的电荷输运的影响。电子—晶格相互作用会使得分子中各官能团之间发生相对扭转畸变，从而对电子输运性质产生影响，实现分子结的整流性能。
　　 最后，进行了总结与展望。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1．引言

1．2．研究背景

1．3．分子整流器

1．3．1．D-σ-A分子整流器

1．3．2．D-π-A分子整流器

1．3．3．π-σ型分子整流器

1．4．研究意义和目的

1．5．主要研究方法和内容

参考文献

第二章 理论方法

2．1．准一维有机聚合物的紧束缚模型

2．2．Landauer-Büttiker公式

2．3． 格林函数方法

2．3．1．单体格林函数简介

2．3．2．推迟和超前格林函数

2．3．3．格林函数的矩阵形式

2．3．4．非平衡态格林函数方法

2．4． 第一性原理

2．4．1．波恩-奥本海默近似(the Born-Oppenheimer Approximation)

2．4．2．Hartree-Fock方法

2．4．3．密度泛函理论(DFT)

参考文献

第三章 二嵌段共轭低聚物分子整流器的电荷输运性质

3．1． 金电极／二嵌段共轭分子／金电极异质结中整流现象

3．2．模型与方法

3．3． 金电极／二苯基二嘧啶／金电极整流机理的分析

3．4． 电子输运性质的调控

3．5． 本章小结

参考文献

第四章 烷基二茂铁异质结分子整流器的电荷输运性质

4．1． 金电极／烷基二茂铁／金电极分子结的整流现象

4．2． 模型与方法

4．3． 烷基二茂铁分子结的整流机制

4．4．联苯分子栅极调控二极管

4．5． 本章小节

参考文献

第五章 分子构象对输运性质的影响

5．1． π共轭分子结中的整流现象

5．2． 模型与方法

5．3． 2Ph2Py分子中的电子—晶格相互作用

5．4． 透射谱与态密度

5．5． 分子投影能谱和本征态

5．6． 本章小节

参考文献

第六章 总结与展望

博士期间完成的论文目录

攻读博士学位期间参与课题及所获奖励与资助

致谢

附录：发表论文文稿