末端基團(tuán)和分子長度對分子器件電輸運(yùn)性質(zhì)影響的理論研究.pdf

1、隨著電子元器件尺寸一步步縮小至納米量級，探究納米材料電荷屬性的納米電子學(xué)應(yīng)運(yùn)而生,此時(shí)經(jīng)典理論將不再適用，需要利用量子理論來描述電子行為。作為納米電子學(xué)的一個(gè)重要分支，分子電子學(xué)是采用單分子、超分子或者分子團(tuán)簇構(gòu)建功能性分子器件，并通過實(shí)驗(yàn)研究或理論計(jì)算的手段來探尋其電荷輸運(yùn)性質(zhì)的學(xué)科。迄今，人們已在實(shí)驗(yàn)室中制備和觀測到具有分子二極管、分子開關(guān)、分子傳感器等一系列功能特征的分子器件。但諸如制備成本高、可重復(fù)性差以及集成化等問題嚴(yán)重阻礙了

2、分子器件的應(yīng)用。為此，如何借助理論方法理解分子器件的工作原理以及發(fā)展制備器件和探測器件性能的技術(shù)成為分子電子學(xué)重要的研究內(nèi)容。本文分別研究了末端基團(tuán)對電輸運(yùn)性質(zhì)的影響，及多聯(lián)苯分子整流器件的分子長度效應(yīng)。具體研究內(nèi)容和結(jié)果如下：
　　(1)末端基團(tuán)對反式1，2-二苯乙烯的電導(dǎo)及整流性質(zhì)的影響
　　我們研究了反式1，2-二苯乙烯通過不同末端基團(tuán)連接到金電極上構(gòu)成分子結(jié)的電輸運(yùn)特性。理論計(jì)算研究表明，分子結(jié)的軌道能級受末端基團(tuán)的

3、影響。當(dāng)分子結(jié)兩端使用亞甲基作為末端基團(tuán)時(shí)，其電流比末端基團(tuán)為異氰基時(shí)的電流高出一個(gè)數(shù)量級，且比兩端選用硫醇基為末端基團(tuán)分子結(jié)的電流高了兩倍。當(dāng)兩端末端基團(tuán)不同時(shí)，由于體系的不對稱性，體系呈現(xiàn)了整流性質(zhì)。當(dāng)中間分子的碳-碳雙鍵變?yōu)樘?碳單鍵時(shí)，分子結(jié)整流性質(zhì)更明顯，整流比可達(dá)到20左右。
　　(2)多聯(lián)苯分子整流器件的分子長度效應(yīng)
　　我們選取多聯(lián)苯分子為中間分子，研究了分子長度效應(yīng)對多聯(lián)苯分子整流器的整流性質(zhì)的影響。數(shù)值計(jì)

4、算表明，分子長度的增加會(huì)使分子體系的整流比有了數(shù)量級上的提升，這是由分子軌道能量的不對稱移動(dòng)導(dǎo)致的。通過研究在偏壓的影響下多聯(lián)苯分子軌道能量的移動(dòng)和波函數(shù)空間演化，詳細(xì)分析了多聯(lián)苯分子體系的整流機(jī)制。我們還發(fā)現(xiàn)，在多聯(lián)苯分子中存在兩種影響整流方向的機(jī)制，這兩種機(jī)制在影響分子整流器的整流方向上的作用是相反的。分子器件的整流方向會(huì)隨著兩種機(jī)制主導(dǎo)地位的改變而發(fā)生改變。當(dāng)分子長度增加時(shí)，這兩種機(jī)制的主導(dǎo)地位會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)換，從而導(dǎo)致分子體系整流方向

5、發(fā)生反轉(zhuǎn)。
　　論文共由以下五章組成：第一章為前言，簡述了分子電子學(xué)的發(fā)展，簡單介紹了實(shí)驗(yàn)和理論方面對分子器件的研究。第二章為理論計(jì)算方法，介紹了理論研究中被廣泛應(yīng)用的密度泛函理論，以及非平衡格林函數(shù)方法。同時(shí)還介紹了在計(jì)算電荷輸運(yùn)性質(zhì)時(shí)所用到的自洽迭代過程。第三章詳細(xì)闡述了末端基團(tuán)對反式1,2-二苯乙烯的電導(dǎo)及其對整流性質(zhì)的影響。第四章中我們計(jì)算并詳細(xì)分析了多聯(lián)苯分子整流器件的分子長度效應(yīng)，闡述了上述現(xiàn)象及其機(jī)理。第五章對本文工