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，當它們的尺寸逼近納米數(shù)量級時，將面臨因量子效應(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)。盡管目前對分子電子器件的研究已經(jīng)取得了一些重要進展，但關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機理等一些最基本的問題還缺乏全面深入的認識。分子電子器件的電子輸運行為與分子的幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)密切相關，對這些基本問題進行

2、系統(tǒng)研究對進一步的優(yōu)化和設計新型的分子電子器件是及其必要的。本文以此為出發(fā)點利用先進的計算方法對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”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算法研究了電場作用下分子性質(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、表明了電場對不同的單雙鍵排布產(chǎn)生的效應存在較大的差別。 隨著雜原子的引入，體系的共軛性進一步增加，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，從而使整個共軛鏈的幾何構(gòu)型發(fā)生了改變。而外電場的作用，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方法就是保持體系的平面構(gòu)型。因此我們對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。同時電場的施加降低了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)軌道向高電勢方向移動；LUMO及其附近的為占據(jù)軌道向低電勢方向移動。 接著將研究體系從一維的分子線進一步擴展到準二維的納米帶，使用第一性原理理論計算方法，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、寬度等因素對此類材料的幾何、電子結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明在當前的研究范圍內(nèi)，寬度對體系的一系列性質(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，而化學勢出現(xiàn)了極值點，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。并與實驗結(jié)果對比，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用前景，進而為利用此材料設計新型的分子電子器件提供理論參考。 最后使

6、用量子化學計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、長度對其電子性質(zhì)的影響。還通過引入缺陷對的方法構(gòu)造了一個碳納米管分子結(jié)，利用這個模型研究了不同的缺陷對在管壁上的分布，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)中插入一個六元環(huán)的方式保持較為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。缺陷對沿著管軸分