苯胺類分子器件電學特性的理論研究.pdf

1、單分子科學的產(chǎn)生和發(fā)展推動了分子電子學的飛速發(fā)展。利用單分子來構(gòu)建具有各種特殊功能的電子器件已經(jīng)成為納電子學領(lǐng)域的前沿研究課題之一。近年來，單分子科學在理論和實驗上都有了很大的發(fā)展，而對單分子器件的研究和對其電學特性的測量已經(jīng)成為分子電子學研究的重要內(nèi)容。本文研究了一類分子器件結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系以及影響分子器件性質(zhì)的相關(guān)因素，討論了分子長度及分子構(gòu)造對分子器件電子輸運性質(zhì)的影響。 目前，分子電子學領(lǐng)域研究較多的是以苯環(huán)為基本結(jié)構(gòu)單

2、元的芳香族有機化合物，因為苯環(huán)結(jié)構(gòu)的分子中具有能夠在分子中自由移動的π電子。同時在終端原子的選取上，研究較多的是利用硫醇或者異氰基或者氰異基與金屬電極相連，形成分子結(jié)。然而，當終端基團采用氨基與金屬電極相連時，Latha Venkataraman等人發(fā)現(xiàn)在溶液中通過金的點接觸斷裂法形成的分子結(jié)會呈現(xiàn)出更可靠和更重復的電導值，這樣就減少了電導值的變化，從而能確定某特定分子結(jié)中電導的平均值，以便人們更好地研究分子特性對分子結(jié)電導的影響。

3、 分子的電子結(jié)構(gòu)直接決定著分子的電學性質(zhì)。當分子與電極相連時，分子與金屬表面的相互作用是通過分子的分子軌道和金屬原子團簇的軌道之間雜化實現(xiàn)的，雜化的結(jié)果使原來各部分的軌道發(fā)生耦合，形成新的分子軌道。在這些分子軌道中，部分軌道擴展于金屬原子團和有機分子之中，正是它們?yōu)殡娮拥妮斶\提供了通道，而其它的軌道只局域于擴展分子的某一部分之中，它們對電子的輸運基本沒有貢獻。因此，分子器件的電輸運性質(zhì)與分子的電子結(jié)構(gòu)以及分子與電極的相互作用密切相關(guān)

4、。 我們在第一性原理的基礎(chǔ)上，利用彈性散射格林函數(shù)方法和密度泛函理論，對終端基團為氨基苯胺類分子的電子輸運特性進行了理論研究。為了研究電極和自由分子的相互作用，選用有限個金原子組成的金原子團簇來模擬電極，有機分子處于兩金原子團簇中間，形成了金屬原子團簇一有機分子-金屬原子團簇三部分構(gòu)成的擴展分子體系。論文主要研究了三類終端基團為氨基苯胺類分子結(jié)的電子輸運特性。計算結(jié)果表明，對于一系列含有較少苯環(huán)的分子1，4-diaminoben

5、zene(C6H8N2)，4，4’-diaminobiphenyl(C12H12N2)，4,4"-diamino-P-terphenyl(C18H16N2)，在非共振散射區(qū)域，分子結(jié)的電導隨分子長度呈現(xiàn)指數(shù)衰減關(guān)系，且衰減因子13值為1.88/phenyl。對苯環(huán)上有不同取代物的聯(lián)苯分子，4.4'-diaminobiphenyl(C12H12N2)，4，4'-diamino-2-methyl-biphenyl(C13H14N2)，4,4

6、'-diarninooctafluorobiphenyl(C12H4N2F4)，，4'diamino-2，5，2'，5' tetrachlorobiphenyl(C12H8N2Cl4)，來說，聯(lián)苯分子中的兩個苯環(huán)之間存在一個扭轉(zhuǎn)角，且該扭轉(zhuǎn)角大小與苯環(huán)上氫原子的取代物有關(guān)。該系列分子結(jié)的電導隨著兩個苯環(huán)之間扭轉(zhuǎn)角的增加而減少，并且呈現(xiàn)出一個余弦平方的關(guān)系。理論結(jié)算結(jié)果和實驗結(jié)果符合得較好。 同時我們選取含有不同取代物的對苯二胺類

7、分子tetrafluoro-1，4-diaminobenzene (C6H4N2E4)，2-fluoro-1，4-diaminobenzen e(C6HyN2D，2-chloro-1，4-diaminobenzene (C6H7N2C1)，2-bromo-1，4-diaminobenzene(C6H7N2Br)，1,4-diaminobenzene(C6H8N2)，2,5-dimethyl-1，4-diaminobenzene(C6H1

8、2N2)，2-methoxy-1，4-diaminobenzene(C7H10N2O)作為研究對象，計算結(jié)果表明該系列分子結(jié)的電導與電離能的大小有關(guān)，并且隨著電離能的增大而減少，理論計算得到的數(shù)據(jù)與實驗得出的結(jié)論符合的較好。 本論文共包括七章內(nèi)容：其中第一章是綜述部分，主要從實驗和理論兩個角度綜合介紹了分子電子學的當前發(fā)展情況；第二章介紹了密度泛函理論，以及我們在應用密度泛函理論時基函數(shù)的選取問題；第三章則對本工作中研究分子結(jié)的