Pb和Rh原子结在氢气中产生小电导的机制研究

摘要

金属原子结(MAJs)具有原子尺度的结构及丰富的自旋输运性能，是未来原子尺度上的自旋电子学器件的基本组成部分。目前对金属原子结自旋输运性质的实验研究已经相当多。金属原子结主要包括原子点接触和一维单原子链。实验测量表明，有多种金属一维单原子链具有量化的电导峰值如0.5G0和1G0，其中Cu、Ag和Au的一维单原子链的1G0电导来自于它们的S-价带特征。Rh和Pb等多价金属的原子结在气体氛围中也出现了1G0及更小的电导峰值，但是，目前并没有相关的研究来解释这些实验现象的物理机制。
　　本文利用第一性原理计算结合非平衡态格林函数方法研究Rh和Pb的原子结在氢气环境中出现较小电导的机制。对于Rh原子结，1G0的电导的出现是由于一个氢分子连接了Rh原子结，形成了Rh-H2-Rh结构。氢分子的反键态（LUMO）与邻近的Rh原子的4d态结合形成几乎没有散射的单一输运通道，具有1G0的电导。Rh原子结的0.3G0电导是因为Rh单原子链以特定方式吸附了3个氢原子，从而极大地减小了Rh单原子链的电导。对于Pb的原子结，1G0电导是由于Pb单原子链吸附了两个氢原子，相比于纯的Pb的原子结，氢原子饱和了链上Pb原子的部分p轨道，从而使电导减小到1G0。本研究结果揭示了Rh、Pb原子结在氢气环境中产生1G0和更小的电导的物理机制，有助于理解相关实验的结果。
　　本研究分为五个部分：第一章是综述，介绍关于制备原子结的实验技术以及关于原子结的的实验与理论研究；第二章我们主要介绍第一性原理以及密度泛函理论基础；第三章研究了Rh原子结在氢气氛围中产生较小电导值的物理机制；第四章研究Pb原子结在氢气氛围中产生较小电导值的物理机制；第五章是对本论文研究工作的总结与展望。

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第一章 研究背景

1.1 纳米电子学简介

1.2 原子结的实验研究

1.2.1 原子结的制备方法

1.2.2 扫描隧道显微镜（STM）

1.2.3 力学可控断结法（MCBJ）

1.2.4 原子力显微镜（AFM）

1.2.5 高分辨透射电子显微镜(HRTEM)

1.3 金属原子结的电导性质研究

1.4 金属原子结电导的理论研究

第二章：密度泛函理论基础及量化输运理论

2.1 第一性原理简介

2.2 密度泛函理论

2.2.1 Hohenberg-Kohn定理

2.2.2 Kohn-Sham方程

2.2.3 局域密度近似与广义梯度近似

2.2.4 平面波的赝势方法

2.3 相关计算软件

VASP

ATK

2.4 非平衡态格林函数理论

2.4.1 Landauer-Büttiker理论

2.4.2 非平衡态格林函数及其在电子输运中的应用

第三章 氢环境中Rh原子结出现小电导的物理机制探究

3.1 实验研究背景

3.2 Rh原子结在氢气中产生1.0G0电导的机制

3.2.1 计算方法及模型

3.2.2 相关研究结果

3.3 Rh原子结0.3G0电导的机制

3.3.1 吸附两个氢原子的Rh原子结的电导

3.3.2 插入了一个氢原子的Rh单原子的电导

3.3.3 Rh的单原子链结构插入两个氢原子后的电导

3.3.4 包含三个氢原子的Rh单原子链的电导

3.3.5 Rh的双原子链结构与三个氢原子的接触

3.4 小结

第四章 氢环境中Pb原子结出现小电导的物理机制探究

4.1 实验研究背景

4.2 计算方法及模型

4.3 相关计算结果

4.3.1 吸附一个氢原子的Pb点接的电导

4.3.2 吸附两个氢原子Pb点接触的电导

4.3.3 氢分子桥接的Pb点接触的电导

4.3.4 Pb的单原子链结构与两个氢原子的电导

4.4 小结

第五章总结与展望

参考文献

硕士期间主要研究成果

致谢

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