分子器件負微分電阻效應(yīng)和整流效應(yīng)的理論研究.pdf

1、近年來,隨著微觀操控技術(shù)和微觀組裝技術(shù)的快速發(fā)展,人們可以在納米尺度操控單個分子并將其制造成具有特定功能的分子器件。這些分子器件被認為是慢慢接近尺度極限的傳統(tǒng)電子器件的最合適的替代者。因此在實驗和理論兩方都吸引了越來越多的關(guān)注。本論文利用基于密度泛函理論的第一性原理方法研究了分子器件輸運性質(zhì)中的幾個問題,重點探討了分子受外壓形變、分子與電極連接位置的變化、外加門壓、側(cè)基團取代以及非對稱電極連接對分子器件輸運性質(zhì)中負微分電阻(NDR)和整

2、流的影響。其主要內(nèi)容如下:
　　 研究了單個C60分子與金屬鋁電極組成的分子器件的電子輸運性質(zhì),同時還研究分子受外壓發(fā)生形變和外加門壓對器件電子輸運性質(zhì)的影響。結(jié)果表明,當(dāng)單個C60分子通過范德華力吸附在金屬鋁電極上,其電流并不是按照傳統(tǒng)的歐姆定律隨著電壓的增大而增大,而是在特定的電壓區(qū)間隨著電壓的增大而減小表現(xiàn)出奇特的負微分電阻效應(yīng)。與此同時,我們還發(fā)現(xiàn)當(dāng)分子受到外加壓力時,這種負微分電阻效應(yīng)可以伴隨著分子的徑向形變先增大后減

3、小直至消失。此外,我們還發(fā)現(xiàn)門壓對分子器件電子輸運性質(zhì)的影響也很強烈。通過調(diào)控門壓可以使分子器件在高導(dǎo)態(tài)與低導(dǎo)態(tài)之間切換從而實現(xiàn)分子電流開關(guān)功能。此外,我們還發(fā)現(xiàn)門壓也可以調(diào)控分子器件的負微分電阻效應(yīng)使其減弱或消失。
　　 研究了側(cè)基團取代對有機共軛分子OPV電子輸運性質(zhì)的影響。計算結(jié)果表明,當(dāng)OPV分子被氨基取代后,分子的占據(jù)態(tài)軌道被局域。然而,當(dāng)OPV分子被硝基取代后,分子的非占據(jù)態(tài)軌道被局域。當(dāng)氨基或者硝基單獨取代分子時,

4、可以增大器件的電子傳輸能力。但是,當(dāng)這兩個基團同時取代分子時卻減弱器件的電子傳輸能力。更有趣的是,當(dāng)且僅當(dāng)OPV分子被兩個氨基共同取代后,器件會出現(xiàn)負微分電阻效應(yīng)。
　　 研究了雙分子器件的電子輸運性質(zhì)。我們將兩個OPV分子平行放置于金電極之間,重點研究了側(cè)基團的相對取代位置對雙分子器件電子輸運性質(zhì)的影響。由于分子層間強烈的相互作用,雙OPV分子器件的軌道和輸運系數(shù)比單OPV分子器件要復(fù)雜的多。同時,側(cè)基團的取代作用也大不相同。

5、結(jié)果表明,在雙分子器件中,側(cè)基團對器件輸運性質(zhì)的影響強烈地依賴于取代位置。氨基在同側(cè)取代雙OPV分子后,器件的電流要大于氨基在異側(cè)取代分子后的電流。對于硝基來說,情況恰恰相反。更重要的是,我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)且僅當(dāng)氨基在同側(cè)取代分子后,器件的電流曲線會出現(xiàn)負微分電阻效應(yīng)。
　　 研究了單phenalenyl分子與金電極構(gòu)成的分子器件的電子輸運性質(zhì)。Phenalenyl分子是一個高度對稱(D3h)的有機自由基,其分子自身有兩個不同的連接位置

6、可以與外界電極相連接。計算結(jié)果表明,分子自身的連接位置是影響器件輸運性質(zhì)的重要因素。當(dāng)連接位置為相對于中心原子的兩個二近鄰原子或者一個二近鄰和一個三近鄰原子,器件的電流曲線會呈現(xiàn)出強烈的負微分電阻效應(yīng)。同時,我們還發(fā)現(xiàn)當(dāng)連接位置為相對于中心原子的一個二近鄰和一個三近鄰原子,器件的電流會呈現(xiàn)出整流效應(yīng)。
　　 研究了非對稱電極對單個C60分子器件電子輸運性質(zhì)的影響。由于金電極與碳納米管電極在費米能級附近差異很大,使Au-C60-C