光分子開關(guān)電子輸運(yùn)性質(zhì)第一性原理研究.pdf

1、近年來(lái),隨著微電子學(xué)的不斷發(fā)展和電子器件的不斷小型化,利用單分子及分子團(tuán)簇,如單壁或多壁碳納米管、有機(jī)小分子以及高分子等來(lái)構(gòu)造各種功能性電子器件已經(jīng)成為人們公認(rèn)的最可能的發(fā)展趨勢(shì),同時(shí)研究這些分子尺度元器件的電特性或光特性也逐漸發(fā)展成為了一門獨(dú)立的學(xué)科,這就是分子電子學(xué)。隨著相關(guān)試驗(yàn)技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用,如LB膜、自組裝單層膜和有機(jī)分子束外延生長(zhǎng)、掃描隧道顯微鏡、納米孔、力學(xué)可控劈裂結(jié)、電遷移、局部氧化切割碳納米管法、電極沉積、掩模蒸鍍法、

2、線上蝕刻等,使得人們?cè)O(shè)計(jì)并測(cè)量具有不同功能的分子器件成為可能。其中,分子開關(guān)的研究特別引人關(guān)注,因?yàn)樗俏磥?lái)邏輯和存儲(chǔ)電路的基本單元。分子開關(guān)的開態(tài)(高電導(dǎo))與關(guān)態(tài)(低電導(dǎo))之間可在外界觸發(fā)因素作用下進(jìn)行可逆的轉(zhuǎn)化。常用的觸發(fā)因素包括電場(chǎng)、STM探針、氧化-還原反應(yīng)等。然而,所有這些觸發(fā)因素均不理想,因?yàn)樗鼈內(nèi)菀赘蓴_分子電路的功能,并且開關(guān)速度慢。而光則是非常理想的觸發(fā)因素,用光觸發(fā)的分子開關(guān)器件有三大優(yōu)勢(shì):容易尋址、開關(guān)響應(yīng)速度快、容

3、易集成。
　　 在本論文的研究中,利用密度泛函理論與非平衡格林函數(shù)相結(jié)合的方法,我們將研究三種不同的光致變色分子的電子輸運(yùn)性質(zhì),探討其作為分子光開關(guān)的可能性。研究?jī)?nèi)容和主要結(jié)論有:
　　 1.15,16二腈基二氫芘(DDP/CPD)光分子開關(guān)
　　 1.1研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)DDP的電流明顯大于通過(guò)CPD的電流,即DDP/CPD呈現(xiàn)出明顯的開關(guān)特性。兩種異構(gòu)體不同的輸運(yùn)特性歸固于分子有效共軛長(zhǎng)度及HOMG-LUMO帶隙的

4、變化。
　　 1.2分子在金電極表面不同的吸附位置會(huì)對(duì)分子電導(dǎo)產(chǎn)生明顯的影響,但對(duì)開關(guān)性能的影響并不大。
　　 1.3單壁碳納米管電極的手征會(huì)對(duì)分子的電子輸運(yùn)產(chǎn)生強(qiáng)烈影響。由于費(fèi)米能級(jí)Ef處存在一個(gè)尖銳的共振透射峰,小偏壓下,通過(guò)鋸齒型分子結(jié)的電流要大于通過(guò)扶椅型分子結(jié)的電流。
　　 2.苯氧萘并萘醌(PNON)光分子開關(guān)
　　 2.1研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)ana-PNQN的電流大于通過(guò)trans-PNQN的電流,

5、即PNQN呈現(xiàn)出明顯的開關(guān)特性。
　　 2.2合適的官能團(tuán)取代,會(huì)進(jìn)一步提高PNQN的開關(guān)性能。
　　 2.3分子與單壁碳納米管電極的連接方式會(huì)對(duì)分子的電子輸運(yùn)產(chǎn)生強(qiáng)烈影響,從而影響器件的工作性能。
　　 3.蒽(AT)光分子開關(guān)
　　 3.1研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)AT單體分了的電流明顯大于通過(guò)其二聚體分子的電流,即AT呈現(xiàn)出明顯的開關(guān)特性。在[-2.0,1.9eV]能量范圍內(nèi)沒有明顯的透射峰是AT二聚體分子導(dǎo)電能

6、力弱的因?yàn)椤?br>　　 3.2由于分子-電極耦合強(qiáng)度隨偏壓增加而減弱,AT單體分子表現(xiàn)出顯著的負(fù)微分電阻效應(yīng),當(dāng)外加偏壓超過(guò)2.0V時(shí),通過(guò)AT單體分子的電流發(fā)生明顯降低。
　　 3.2單壁碳納米管電極端口取代會(huì)對(duì)分子的電子輸運(yùn)產(chǎn)生強(qiáng)烈影響,從而影響其開關(guān)性能。由于端口N原子的存在,使得費(fèi)米能級(jí)Ef附近有一個(gè)較強(qiáng)的透射峰,此時(shí)分子開關(guān)的電子輸運(yùn)機(jī)制是準(zhǔn)共振隧穿,使得通過(guò)分子開關(guān)的電流較大；而H終端原子情形時(shí),在Ef附近沒有任