末端基团和分子长度对分子器件电输运性质影响的理论研究

摘要

随着电子元器件尺寸一步步缩小至纳米量级，探究纳米材料电荷属性的纳米电子学应运而生,此时经典理论将不再适用，需要利用量子理论来描述电子行为。作为纳米电子学的一个重要分支，分子电子学是采用单分子、超分子或者分子团簇构建功能性分子器件，并通过实验研究或理论计算的手段来探寻其电荷输运性质的学科。迄今，人们已在实验室中制备和观测到具有分子二极管、分子开关、分子传感器等一系列功能特征的分子器件。但诸如制备成本高、可重复性差以及集成化等问题严重阻碍了分子器件的应用。为此，如何借助理论方法理解分子器件的工作原理以及发展制备器件和探测器件性能的技术成为分子电子学重要的研究内容。本文分别研究了末端基团对电输运性质的影响，及多联苯分子整流器件的分子长度效应。具体研究内容和结果如下：
　　(1)末端基团对反式1，2-二苯乙烯的电导及整流性质的影响
　　我们研究了反式1，2-二苯乙烯通过不同末端基团连接到金电极上构成分子结的电输运特性。理论计算研究表明，分子结的轨道能级受末端基团的影响。当分子结两端使用亚甲基作为末端基团时，其电流比末端基团为异氰基时的电流高出一个数量级，且比两端选用硫醇基为末端基团分子结的电流高了两倍。当两端末端基团不同时，由于体系的不对称性，体系呈现了整流性质。当中间分子的碳-碳双键变为碳-碳单键时，分子结整流性质更明显，整流比可达到20左右。
　　(2)多联苯分子整流器件的分子长度效应
　　我们选取多联苯分子为中间分子，研究了分子长度效应对多联苯分子整流器的整流性质的影响。数值计算表明，分子长度的增加会使分子体系的整流比有了数量级上的提升，这是由分子轨道能量的不对称移动导致的。通过研究在偏压的影响下多联苯分子轨道能量的移动和波函数空间演化，详细分析了多联苯分子体系的整流机制。我们还发现，在多联苯分子中存在两种影响整流方向的机制，这两种机制在影响分子整流器的整流方向上的作用是相反的。分子器件的整流方向会随着两种机制主导地位的改变而发生改变。当分子长度增加时，这两种机制的主导地位会发生转换，从而导致分子体系整流方向发生反转。
　　论文共由以下五章组成：第一章为前言，简述了分子电子学的发展，简单介绍了实验和理论方面对分子器件的研究。第二章为理论计算方法，介绍了理论研究中被广泛应用的密度泛函理论，以及非平衡格林函数方法。同时还介绍了在计算电荷输运性质时所用到的自洽迭代过程。第三章详细阐述了末端基团对反式1,2-二苯乙烯的电导及其对整流性质的影响。第四章中我们计算并详细分析了多联苯分子整流器件的分子长度效应，阐述了上述现象及其机理。第五章对本文工作进行了简单的总结以及提出对未来工作的期望。

目录

声明

第一章 前言

1.1分子电子学简介

1.2单分子器件研究进展

1.3 目前研究所面临的问题

1.4 拟开展的研究工作

第二章 单分子器件电荷输运理论方法

2.1 密度泛函理论方法

2.2 量子输运中的非平衡格林函数方法

2.3 开放体系的电荷输运自洽计算

第三章 末端基团对反式1，2-二苯乙烯的电导及整流性质的影响

3.1 引言

3.2 输运体系的构建

3.3 末端基团对电导及整流性质的影响

3.4 结论

第四章 多联苯分子整流器件的分子长度效应

4.1 引言

4.2 输运体系的构建

4.3 分子长度对整流性质的影响

4.4 小结

第五章 总结与展望

5.1 本文工作总结

5.2 工作展望

参考文献

攻读硕士期间发表论文

致谢