幾種典型的分子電子材料的理論研究.pdf

1、隨著傳統(tǒng)的硅基電子器件的尺寸不斷縮小，當(dāng)它們的尺寸逼近納米數(shù)量級(jí)時(shí)，將面臨因量子效應(yīng)(如隧穿，散射和電子干涉等)而產(chǎn)生的一系列難以逾越的挑戰(zhàn)。解決上述問題的出路之一在于發(fā)展分子尺度的電子器件(分子電子器件)。盡管目前對(duì)分子電子器件的研究已經(jīng)取得了一些重要進(jìn)展，但關(guān)于分子電子材料在器件中的行為、分子電子器件的電子輸運(yùn)機(jī)理等一些最基本的問題還缺乏全面深入的認(rèn)識(shí)。分子電子器件的電子輸運(yùn)行為與分子的幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，對(duì)這些基本問題進(jìn)行

2、系統(tǒng)研究對(duì)進(jìn)一步的優(yōu)化和設(shè)計(jì)新型的分子電子器件是及其必要的。本文以此為出發(fā)點(diǎn)利用先進(jìn)的計(jì)算方法對(duì)一系列具有代表性的分子電子材料展開了包括幾何構(gòu)型、電子結(jié)構(gòu)、空間軌道分布等較為全面的理論探討。 為了更加地準(zhǔn)確模擬分子電子材料在器件中的行為，提出了一種類似于“現(xiàn)場(chǎng)”的靜態(tài)理論研究方法。以典型的線型π-共軛分子，聚乙炔，為模型分子，采用分子軌道從頭計(jì)算法研究了電場(chǎng)作用下分子性質(zhì)的變化。三種聚乙炔異構(gòu)體所表現(xiàn)出的不同的幾何結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)

3、表明了電場(chǎng)對(duì)不同的單雙鍵排布產(chǎn)生的效應(yīng)存在較大的差別。 隨著雜原子的引入，體系的共軛性進(jìn)一步增加，共軛體系的電子傳輸能力發(fā)生了變化，不同的雜原子所帶來的效應(yīng)也有所差異，不同的原子半徑造成了不等的空間排斥力，從而使整個(gè)共軛鏈的幾何構(gòu)型發(fā)生了改變。而外電場(chǎng)的作用，可以減小這種構(gòu)型扭曲提高體系的共軛性。 為了提高體系的共軛性除了引入雜原子外另一個(gè)方法就是保持體系的平面構(gòu)型。因此我們對(duì)具有高度平面性的剛性分子聚并噻吩展開了模擬研

4、究。結(jié)果表明隨著電場(chǎng)的增加，體系碳碳單鍵變短而雙鍵變長從而提高了共軛性。由于電荷密度的差異，硫原子的電子傳輸明顯要易于碳原子。同時(shí)電場(chǎng)的施加降低了HOMO-LUMO能隙的大小也改變了前線分子軌道的分布：HOMO 和其附近的占據(jù)軌道向高電勢(shì)方向移動(dòng)；LUMO及其附近的為占據(jù)軌道向低電勢(shì)方向移動(dòng)。 接著將研究體系從一維的分子線進(jìn)一步擴(kuò)展到準(zhǔn)二維的納米帶，使用第一性原理理論計(jì)算方法，模擬一系列不同寬度的氮化硼納米帶，考查

5、了邊緣構(gòu)型、寬度等因素對(duì)此類材料的幾何、電子結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明在當(dāng)前的研究范圍內(nèi)，寬度對(duì)體系的一系列性質(zhì)有著規(guī)律性影響。隨著寬度的增加，體系的鍵長進(jìn)一步均勻化從而提高了電子的共軛性；能隙逐漸減小，而化學(xué)勢(shì)出現(xiàn)了極值點(diǎn)，前線分子軌道的分布也隨著寬度的增加出現(xiàn)了非均勻分布呈現(xiàn)出向邊界偏移的現(xiàn)象。并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，論證了理論方法的可靠性，指出了這類材料潛在的良好的應(yīng)用前景，進(jìn)而為利用此材料設(shè)計(jì)新型的分子電子器件提供理論參考。 最后使

6、用量子化學(xué)計(jì)算方法探索了一類非常熱門的分子電子材料，碳納米管。主要考查了有限長碳納米管的直徑、長度對(duì)其電子性質(zhì)的影響。還通過引入缺陷對(duì)的方法構(gòu)造了一個(gè)碳納米管分子結(jié)，利用這個(gè)模型研究了不同的缺陷對(duì)在管壁上的分布，并通過比較這些分子結(jié)的能量大小確定了它們的穩(wěn)定性差異。同質(zhì)化方程計(jì)算得到的能量結(jié)果表明不同的連接方式具有不同的穩(wěn)定性。在當(dāng)前的模型中，這種分子結(jié)更易于采取在五元環(huán)和七元環(huán)中插入一個(gè)六元環(huán)的方式保持較為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。缺陷對(duì)沿著管軸分