納米體系電子態(tài)和電荷-自旋輸運(yùn)性質(zhì)的第一性原理研究.pdf

1、分子電子學(xué)研究的目標(biāo)是以單個(gè)分子為基礎(chǔ)來構(gòu)建功能性器件以代替硅基半導(dǎo)體晶體管等固體電子元件組裝邏輯電路。由于采取了不同于傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體器件的加工工藝的由而上的模式，從單個(gè)分子出發(fā)構(gòu)建電子器件，它有可能給整個(gè)電子產(chǎn)業(yè)帶來革命性的進(jìn)展。自20世紀(jì)后期以來，隨著掃描隧道顯微鏡、自組裝技術(shù)、劈裂結(jié)技術(shù)等實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，科學(xué)家們?cè)诜肿硬牧系墓?、電、磁性能的研究及分子器件的探索中，取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，分子電子學(xué)由此得到了迅速的發(fā)展。與此同時(shí)，為

2、了彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的不足，也為了證明和解釋實(shí)驗(yàn)上測(cè)得的分子電導(dǎo)行為，理論工作者也發(fā)展了各種理論模型和方法，在分子器件設(shè)計(jì)和電子輸運(yùn)機(jī)理的研究上做出了許多杰出的工作。隨著各種理論方法紛紛涌現(xiàn)，尤其是在非平衡格林函數(shù)結(jié)合密度泛函理論的方法取得巨大成功，并被學(xué)術(shù)界所廣泛承認(rèn)和采用之后，分子電子學(xué)的第一性原理研究方法已成為其重要的研究手段。本論文首先簡(jiǎn)單介紹了納米電子學(xué)的實(shí)驗(yàn)和理論研究方法及研究進(jìn)展，然后用理論的方法研究了包括單分子器件、以及基于單

3、層石墨的幾種納米結(jié)構(gòu)的電子結(jié)構(gòu)和輸運(yùn)特性。本論文主要由以下幾個(gè)部分組成：
　　第一章首先簡(jiǎn)要介紹了納米電子學(xué)的研究背景和進(jìn)展。在對(duì)納米電子學(xué)的誕生以及近年來的研究近況作簡(jiǎn)要的回顧之后，著重介紹了幾個(gè)推動(dòng)納米電子學(xué)快速發(fā)展的實(shí)驗(yàn)技術(shù)及與之相關(guān)的研究成果。然后從實(shí)驗(yàn)和理論兩個(gè)方面分別概述了納米電子學(xué)近些年來所取得的主要研究進(jìn)展以及存在的問題和挑戰(zhàn)。
　　第二章介紹了本學(xué)位論文采用的理論計(jì)算方法。在研究納米體系的幾何和電子結(jié)構(gòu)時(shí)，

4、主要采用電子密度泛函理論計(jì)算方法。本章的前半部分詳細(xì)介紹了電子密度泛函理論的基本框架與近年來的發(fā)展概況。由于基于密度泛函理論的量子化學(xué)程序并不能求解非平衡開放體系的問題，因此對(duì)分子器件的輸運(yùn)問題是無能為力的，必須要引入新的理論方法。目前分子器件電輸運(yùn)性質(zhì)的理論研究主要采用非平衡格林函數(shù)結(jié)合密度泛函理論的方法。本章的后半部分則簡(jiǎn)單介紹了分子器件的導(dǎo)電機(jī)制、電子輸運(yùn)理論及此類體系的第一性原理求解方法，并主要介紹了非平衡格林函數(shù)方法的理論基礎(chǔ)

5、及其在分子結(jié)體系中的具體形式及求解方法。
　　第三章用基于非平衡格林函數(shù)結(jié)合密度泛函理論的第一性原理方法研究了吸附位置和結(jié)合基團(tuán)對(duì)烷烴分子鏈電輸運(yùn)性質(zhì)的影響。在計(jì)算模型中，我們將其中一個(gè)接觸端設(shè)計(jì)成STM針尖的形狀，其結(jié)合模式一直保持不變。在另一接觸端則引入了頂位，橋位，HCP-窩位和FCC-窩位四種典型的吸附位置。對(duì)于烷烴分子鏈末端結(jié)合硫醇，胺基或草酸三種不同化學(xué)基團(tuán)的情況，我們分別計(jì)算了它們?cè)谝陨纤姆N結(jié)合模式下的電導(dǎo)。在低偏壓

6、下，體系的電導(dǎo)值對(duì)于以上四種結(jié)合模式有高或低兩種不同結(jié)果，這和最近的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一致的。這一結(jié)果通過低偏壓下電極(金屬)誘導(dǎo)能隙態(tài)的特性得到非常合理的解釋。當(dāng)所加偏壓增加到較大的值之后，結(jié)合基團(tuán)的態(tài)進(jìn)入到能量窗口并對(duì)隧穿過程有重要的(明顯的)貢獻(xiàn)而使得四種結(jié)合模式下的輸運(yùn)特性變得更加復(fù)雜。本章同時(shí)還計(jì)算并討論了低偏壓下電導(dǎo)隨分子長(zhǎng)度的衰減系數(shù)，接觸電阻，以及高/低電導(dǎo)比值并跟實(shí)驗(yàn)結(jié)果做了相應(yīng)的對(duì)比。對(duì)于本章所研究的三種結(jié)合基團(tuán)，它們跟分子

7、結(jié)合之后組成的分子結(jié)的導(dǎo)電能力由硫醇，胺基到草酸呈衰減的趨勢(shì)，這一順序正反映了它們與金電極粘結(jié)的強(qiáng)度，并且和實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的結(jié)果是一致的。本章的計(jì)算結(jié)果不僅證實(shí)了實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的現(xiàn)象，而且用清晰的微觀物理圖像對(duì)這一結(jié)果給出了合理的定性解釋。
　　第四章首先簡(jiǎn)要介紹了單層石墨(石墨烯)，包括結(jié)構(gòu)特性，電子結(jié)構(gòu)以及與之相關(guān)的研究進(jìn)展。并用第一性原理方法研究了幾個(gè)石墨相關(guān)體系的電子結(jié)構(gòu)與輸運(yùn)性質(zhì)。對(duì)于鋸齒形邊緣的三角形單層石墨片，計(jì)算表明其

8、基態(tài)為亞鐵磁結(jié)構(gòu)，替位式摻雜硼或氮原子會(huì)使其磁性減弱，而將氟原子摻入某些子格則會(huì)增強(qiáng)體系的磁性。通過理解雜質(zhì)本身的特性以及它和寄主原子之間的相互作用，可以很好的解釋體系磁性的變化。此外，我們?cè)诩兊囊约芭饟诫s后的單層石墨片夾在兩個(gè)金電極中所組成分子結(jié)中實(shí)現(xiàn)了完美的(100％)自旋過濾效應(yīng)。在保持分子結(jié)結(jié)構(gòu)不變的情況下將摻雜原子換成氮、氧或者氟原子之后，發(fā)現(xiàn)所得到的純自旋流的方向?qū)?huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)。而這種自旋取向可控的自旋過濾效應(yīng)有望在自旋電子學(xué)

9、器件中得到應(yīng)用。本章還簡(jiǎn)要介紹了另兩個(gè)石墨相關(guān)的體系的研究。分別是對(duì)雙層石墨內(nèi)嵌碳、氮或氧原子時(shí)的電子結(jié)構(gòu)和磁性的研究和碳原子鏈的磁性及自旋極化輸運(yùn)性質(zhì)的研究。這些研究的成果可以幫助人們更好的理解這兩種結(jié)構(gòu)的特性并使其應(yīng)用于納米電子學(xué)領(lǐng)域。
　　第五章對(duì)oligoyne-bipyridyl(OBP)分子兩端連接半無限Ni電極的分子結(jié)體系的自旋極化輸運(yùn)及隧道磁阻效應(yīng)進(jìn)行了研究，給出了計(jì)算得到的初步結(jié)果。本章主要考慮了三種不同結(jié)構(gòu)的分